DE19736064C2 - Fehlererkennungseinrichtung für Brennkraftmaschinen und ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Fehlererkennungseinrichtung für Brennkraftmaschinen und ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine nach dem Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche.

Fehler in Brennkraftmaschinen sollten allgemein ebenso zuverlässig wie kostengünstig erkannt werden können. Zur Fehlererkennung sind beispielsweise Fehlererkennungseinrichtungen vorgesehen, die einem Bauteil der Brennkraftmaschine zugeordnet sind und einen Fehler bzw. ein Fehlverhalten an diesem Bauteil erkennen können. Es ist offensichtlich, daß bei einer solchen Vorgehensweise für jedes Bauteil, das möglicherweise einen Fehler erzeugt, eine eigene Fehlererkennungseinrichtung notwendig ist.

Aus der DE 195 13 156 C1 ist bereits eine turboaufgeladene Brennkraftmaschine mit einer Fehlererkennungseinrichtung bekannt geworden, bei der von einer Regelung der zugeführten Luft auf einer Steuerung der zugeführten Luft umgeschaltet wird, wenn ein einseitiger Fehler in einem der Abgasstränge erkannt wird. Zur Erkennung eines Fehlers in einem der Abgasstränge wird vorgeschlagen, die Brennkraftmaschine dahingehend zu überwachen, ob eine Häufung von Zündaussetzern an einer der Zylinderbänke auftritt.

Darüber hinaus sind Fahrzeuge - beispielsweise der Porsche 911 turbo - bekannt, die zwei getrennte Abgasstränge aufweisen und bei denen im Rahmen der Kraftstoffzumessung eine Lambda-Regelung eingesetzt wird. Für die Lambda-Regelung ist in jedem Abgasstrang eine eigene Lambda-Sonde vorgesehen, die Kraftstoffzumessung und die Lambda-Regelung erfolgt jedoch für die das Fahrzeug antreibende Brennkraftmaschine als Ganzes. Die verwendeten Lambda-Sonden weisen bei einem Lambda-Wert von ca. 1,0 einen Signalsprung auf, so daß nur eine Lambda-Regelung auf den Soll-Wert 1,0 möglich ist.

Gegenüber dem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Fehlererkennungseinrichtung für Brennkraftmaschinen und ein entsprechendes Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.

Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, daß bei einer Brennkraftmaschine, bei der die Bemessung der Kraftstoffzufuhr für die Brennkraftmaschine als ganzes (d. h. nicht spezifisch für einen Teil der Brennkraftmaschine) erfolgt, eine Reihe von Bauteilen Einfluß auf einen Füllungsgrad der Brennkraftmaschine oder auf andere, den Verbrennungsvorgang beeinflussende Größen nimmt. Sind diese Bauteile dann mehrfach vorgesehen, wobei jedes der Bauteile unabhängig einem Teil der Brennkraftmaschine zugeordnet ist, so lassen sich bei einer Brennkraftmaschine mit getrennten Abgassträngen Fehler dadurch ermitteln, daß die Abgaszusammensetzung der einzelnen Abgasstränge ermittelt und mit dem entsprechenden Wert der anderen Abgasstränge verglichen wird. Weicht nun einer der Abgasstränge bei diesem Vergleich ab, so läßt sich hieraus auf einen Fehler in diesem Abgasstrang bzw. dem diesen Abgasstrang zugeordneten Bauelementen schließen. Als Bauelemente, die einen derartigen Fehlererkennung zugänglich sind, sind beispielsweise Einspritzdüsen, Verstelleinrichtungen für den Ventilhub, Verstelleinrichtungen für die Lage der Nockenwellen, Zündeinrichtungen sowie alle vom Abgasstrom durchsetzten Bauelemente zu nennen.

Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, bei einer gattungsgemäßen Brennkraftmaschine Lambdasonden einzusetzen, die ein stetiges Signal für den Lambdawert des Abgases erzeugen. Die Fehlererkennungseinrichtung erkennt dann einen Fehler, wenn die von den Lambdasonden gelieferten Signale voneinander abweichen. Bisher verwendete Lambdasonden erzeugen kein stetiges Signal, sondern einen Signalsprung bei einem Lambdawert von ca. 1,0. Der besondere Vorteil nach der Erfindung ist daher im Einsatz der stetig arbeitenden Lambdasonden zu sehen, mit denen es nun möglich ist, einen Vergleich der von den Lambdasonden gelieferten Signale vorzunehmen und hieraus auf eine unterschiedliche Abgaszusammensetzung in den einzelnen Abgassträngen zu schließen. Darüber hinaus ist nach der Erfindung mit Hilfe einer einzigen Fehlererkennungseinrichtung bzw. eines einzigen Verfahrens zur Fehlererkennung eine Mehrzahl von Fehlern der oben genannten Art erkennbar.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung dargestellt.

So wird vorgeschlagen, die beschriebene Fehlererkennungseinrichtung bei einer turboaufgeladenen Brennkraftmaschine einzusetzen, die getrennte Abgasstränge aufweist und darüber hinaus abhängig von einem Fehlersignal von einer Luftmassenregelung auf eine Luftmassensteuerung umschaltet. Bei einer derartigen Brennkraftmaschine, wie sie beispielsweise aus der DE 195 13 156 C1 bekannt ist, kann mit Hilfe der Erfindung in einfacher Weise das für eine Umschaltung benötigte Fehlersignal erzeugt werden. Sobald bei einer derartigen Brennkraftmaschine bereits zur Kraftstoffzumessung eine Lambda- Regelung eingesetzt wird, können die für diese Lambda-Regelung benötigten Lambdasonden sowohl von einer Einrichtung zur Kraftstoffzumessung wie auch von der erfindungsgemäßen Fehlererkennungseinrichtung verwendet werden, so daß keine zusätzlichen Kosten entstehen.

Soweit bei einer Brennkraftmaschine Einrichtungen zur Verstellung der Winkellage von Nockenwellen oder zur Verstellung des Ventilhubes von Einlaßventilen und/oder Auslaßventilen vorgesehen sind, so läßt sich ein Fehler in einer dieser Verstelleinrichtungen besonders einfach dadurch ermitteln, daß unmittelbar anschließend an eine Betätigung der Verstelleinrichtung geprüft wird, ob die erfindungsgemäße Fehlererkennungseinrichtung ein Fehlersignal abgibt. Wenn eine derartige Prüfung ergibt, daß als Reaktion auf die Betätigung des Verstellelementes ein Fehlersignal auftritt, so kann daraus geschlossen werden, daß der Fehler von der soeben betätigten Verstelleinrichtung ausgelöst worden ist und der Fehler kann dieser Verstelleinrichtung zugeordnet werden.

Die Erfindung ist nachstehend anhand des in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispieles näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Übersicht über eine turboaufgeladene Brennkraftmaschine und

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Motorsteuerung mit einer Fehlererkennungseinrichtung.

Die in Fig. 1 gezeigte Brennkraftmaschine 1 weist in einem Ansaugtrakt 2 einen Luftmassenmesser 3 auf. Hinter dem Luftmassenmesser 3 wird der Ansaugluftstrom zu einem linken Abgasturbolader 4 und einem rechten Abgasturbolader 5 geteilt. Die verdichteten Teil-Ansaugluftströme treten in getrennte Ladeluftkühler 6, 7 ein. Nach den Ladeluftkühlern 6, 7 wird die Ladeluft zusammengeführt und strömt über eine Drosselklappe 8 und einen Verteiler 9 zu Zylinderköpfen der Brennkraftmaschine 1. Über Einspritzdüsen 26 wird dem Ansaugluftstrom Kraftstoff beigemischt.

Eine Abgasanlage 10 weist zwei getrennte Abgasstränge 21 und 22 auf. Über die Abgasstränge 21, 22 können die Abgase der Brennkraftmaschine 1 den Abgasturboladern 4, 5 zugeführt werden oder über Bypassleitungen 11, 12, die von Bypassventilen 13, 14 verschlossen werden können, daran vorbeigeleitet werden. Stromab der Abgasturbolader 4, 5 ist in jedem der Abgasstränge 21, 22 je eine Lambda- Sonde 27, 28 angeordnet, die getrennt für jeden der Abgasstränge 21, 22 den Wert des Sauerstoffanteiles kontinuierlich ermittelt und ein Signal L1 bzw. L2 abgibt. Auf die Lambda-Sonden 27, 28 folgen im Abgasstrom zwei Katalysatoren 32, 33

Die Bypassventile 13, 14 sind zusammen mit den Bypassleitungen 11, 12 jeweils in den Abgasturboladern 4, 5 integriert. Zur Ansteuerung der Bypassventile 13, 14 ist ein gemeinsames Taktventil 15 vorgesehen, das von einer einen Luftmassenregler enthaltenden Motorsteuerung 16 angesteuert wird. Zur Ansteuerung der Bypassventile 13, 14 verwendet das Taktventil 15 Unterdruck, der dem Ansaugtrakt 2 an einer Entnahmestelle vor der Drosselklappe 8 entnommen wird. Als Stellglied dient je eine Membrandose 17, 18. Mit Hilfe Taktventils 15 kann der Steuerdruck auf die Membrandosen 17, 18 beliebig zwischen Umgebungsdruck und dem hinter den Ladeluftkühlern 6, 7 anliegenden Druck eingestellt werden. Der Steuerdruck auf die Membranfläche wirkt gegen eine Federkraft. Der Membranweg wird über ein Gestänge zum Verstellen der Bypassventile 13, 14 geleitet. Die Ableitung des Bypass-Abgases erfolgt in den sich stark öffnenden Turbinenaustritts-Diffusor.

Die Motorsteuerung 16 ist im Blockschaltbild nach Fig. 2 näher dargestellt. Für die Zwecke der Luftmassenregelung bildet die Brennkraftmaschine 1 die Regelstrecke, an der der Luftmassenmesser 3 als Meßglied den Istwert der Luftmasse ml bestimmt. Dieser wird der Motorsteuerung 16 zugeführt und dort mit einem Sollwert für die Luftmasse ml_soll verglichen, der von einem Sollwertgeber 19 abhängig von einer Drehzahl nmot der Brennkraftmaschine 1 und einer Drosselklappenstellung DK der Drosselklappe 8 bestimmt wird. Ergebnis dieses Vergleiches ist eine Regelabweichung dml, die einem ebenfalls im Luftmassenregler 16 enthaltenen PID-Regler 20 zugeführt wird. Dieser liefert als Stellgröße ein Tastverhältnis tv an das Taktventil 15 und steuert so die als Ladedrucksteller arbeitenden Bypassventile 13, 14 an.

Eine ferner in der Motorsteuerung 16 angeordnete Kraftstoffzumeßeinrichtung 29 berechnet aus den Istwert der Luftmasse ml, der Drehzahl nmot, der Drosselklappenstellung DK und einem Kurbelwellenwinkel KW Signale zur Ansteuerung der Einspritzdüsen 26. Hierbei wird für die gesamte Brennkraftmaschine 1 aus den Hauptsteuergrößen Luftmasse ml, Drehzahl nmot und Drosselklappenstellung DK ein einzustellendes Kraftstoff-Luft-Verhältnis bestimmt. Die Kraftstoffzufuhr erfolgt dann gleichmäßig über alle Einpritzdüsen 26.

Ein den Abgasdurchsatz vermindernder Defekt in einem der Abgasstränge, bspw. dem linken Abgasstrang 21, führt nun dazu, daß die vom Luftmassenmesser 3 registrierte Luftmasse abnimmt. Dies zieht einen Anstieg der Regelabweichung dml nach sich, und der PID-Regler 20 schließt über das Taktverhältnis tv die Bypassventile 13 und 14. Infolgedessen steigt im rechten Abgasstrang 22 die Drehzahl des rechten Abgasturboladers 5 stark an. Der durch den Defekt im linken Abgasstrang 21 verminderte Abgasdurchsatz führt dabei zu einem deutlich geringeren Anstieg der Drehzahl des linken Abgasturboladers 4.

Die Drehzahl des rechten Abgasturboladers 5 kann infolgedessen rasch in kritische Bereiche geraten und damit zur Zerstörung des Abgasturboladers 5 führen.

Um dies zu erkennen überwacht in der Motorsteuerung 16 eine Fehlererkennungseinrichtung 23 die Signale L1, L2 der Lambdasonden 27 und 28. Innerhalb der Fehlererkennungseinrichtung 23 wird eine Differenz der Signale L1 und L2 gebildet. Anschließend wird der Betrag dieser Differenz mit einem Grenzwert verglichen, um kleinere, aus Fertigungs- und Betriebstoleranzen herrührende Abweichungen der Signale L1 und L2 von einer durch einen Fehler ausgelösten Differenz zu unterscheiden. Überschreitet der Betrag der Differenz den voreingestellten Grenzwert, so wird ein vor dem Taktventil 15 angeordneter Umschalter 25 betätigt, so daß das Taktventil 15 nun von einer Luftmassensteuerung 24 anstelle des PID-Reglers 20 angesteuert wird. Die Luftmassensteuerung 24 bestimmt das Taktverhältnis tv aus der Drehzahl nmot und der Drosselklappenstellung DK.

Wird die beschriebene Fehlererkennungseinrichtung 23 im Form eines Programmes in einem Steuergerät ausgeführt, so ist es selbstverständlich, daß die Umschaltung in der Weise erfolgt, daß ein Steuerungsprogramm für die Luftmasse ml bei erkanntem einseitigen Fehler nicht zu einem Unterprogramm für die Luftmassenregelung, sondern zu einem Unterprogramm für die Luftmassensteuerung verzweigt.

Ein derartiges Programm zur Fehlererkennung kann einen Fehler einseitig in einem der Abgasstränge 21, 22 erkennen, indem folgende Schritte ausgeführt werden:

• - Einlesen der Signale L1 und L2 von den Lambda-Sonden 27 und 28,
• - Berechnen des Betrages der Differenz der Lambda-Werte L1 und L2,
• - Vergleichen des Betrages der Differenz mit einem Grenzwert und
• - wenn der Grenzwert überschritten ist: Ausgeben eines Fehlersignales und Verzweigen zu einem Unterprogramm für die Luftmassensteuerung
• - wenn der Grenzwert nicht überschritten ist: Verzweigen zu einem Unterprogramm für die Luftmassenregelung.

Die hier am Beispiel einer Luftmassenregelung gezeigte Fehlererkennung kann für jede andere auf den einer aufgeladenen Brennkraftmaschine zugeführten Luftstrom wirkende Regelung angewandt werden; dies gilt auch für Ladedruckregelungen.

An der Brennkraftmaschine 1 sind darüber hinaus Verstellvorrichtungen 30 und 31 zur Verstellung der Winkellage der Einlaßnockenwelle (nicht dargestellt) vorgesehen. Durch diese Verstelleinrichtungen 30 und 31 kann die Einlaßnockenwelle aus einer Grundstellung mit spätem Einlaßbeginn und geringer Überschneidung in eine Arbeitsstellung mit frühem Einlaßbeginn und großer Überschreitung gebracht werden. Durch diese Verstellung ändert sich bei den betroffenen Zylindern der Brennkraftmaschine 1 der Füllungsgrad und damit auch das Kraftstoff-Luft-Gemisch, das notwendig ist, um eine vorgegebene Abgaszusammensetzung (Rest-Sauerstoff) zu erzielen. Die beiden Verstelleinrichtungen 30, 31 wirken unabhängig voneinander jeweils auf eine Hälfte der Brennkraftmaschine 1.

Erfolgt durch einen einseitigen Defekt, beispielsweise an der zweiten Verstelleinrichtung 31, auf dieser Seite der Brennkraftmaschine keine Verstellung der Einlaßnockenwelle, so weisen die beiden Hälften der Brennkraftmaschine 1 unterschiedliche Füllungsgrade auf. Da die Kraftstoffzumesseinrichtung 29 das Kraftstoff-Luft Verhältnis für die gesamte Brennkraftmaschine 1 bestimmt, resultiert aus den unterschiedlichen Füllungsgraden bei gleicher Kraftstoffzufuhr für alle Zylinder eine unterschiedliche Abgaszusammensetzung in den Abgassträngen 21 und 22. In Folge der unterschiedlichen Abgaszusammensetzung unterscheiden sich auch die von den Lambdasonden 27 und 28 erzeugten Lambdawerte L1 und L2, so daß die Differenz der Lambdawerte L1 und L2 den Grenzwert überschreitet und die Fehlererkennungseinrichtung 23 ein Fehlersignal erzeugt. Da dieses Fehlersignal in unmittelbarer zeitlicher Folge der Betätigung der Verstelleinrichtung 30 aufgetreten ist, kann die Fehlererkennungseinrichtung 23 diesen Fehler unmittelbar der Verstelleinrichtung 30 zuordnen.

Abhängig von der Auslegung der Brennkraftmaschine 1 kann nun die Betätigung des Umschalters 25 auch unterdrückt werden, wenn davon auszugehen ist, daß ein Ausfall einer der Verstelleinrichtungen 30, 31 nicht zu einer Beschädigung der Brennkraftmaschine 1 führt. Alternativ hierzu kann auch ein solches Fehlersignal dazu verwendet werden, eine Betätigung der Verstelleinrichtungen 30, 31 zurückzunehmen und weitere Betätigungen zu unterdrückten, bis zum Rahmen eines Werkstattbesuches oder ähnlichem die Betätigung der Verstelleinrichtung 30 und 31 wieder freigegeben wird.

In einer weiteren Alternative sind die Verstelleinrichtungen 30 und 31 zur Verstellung des Ventilhubes von Einlaßventilen und/oder Auslaßventilen der Brennkraftmaschine vorgesehen. Auch hier führt ein einseitiger Ausfall einer der Verstelleinrichtungen 30 oder 31 durch den einseitig veränderten Ventilhub zu unterschiedlichen Füllungsgraden der den Abgassträngen 21 und 22 zugeordneten Zylinder und damit zu unterschiedlichen Abgas-Zusammensetzungen.

Claims (8)

1. Fehlererkennungseinrichtung (23) für eine Brennkraftmaschine (1) mit:
zumindest zwei Abgassträngen (21, 22),
zumindest zwei Lambda-Regelkreisen mit jeweils einer Lambda-Sonde (27, 28) in einem Abgasstrang,
einer gemeinsamen Meßvorrichtung (3) zur Erfassung der zugeführten Luft (ml) und
einer gemeinsamen Steuereinrichtung (29) zur Zumessung von Kraftstoff,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Lambda-Sonden (27, 28) ein stetiges Signal für den Lambda-Wert (L1, L2) des Abgases erzeugen und
die Fehlererkennungseinrichtung (23) einen Fehler in einem Abgasstrang (21, 22) oder an einem diesem Abgasstrang zugeordnetem Bauteil erkennt, wenn die von den Lambda-Sonden gelieferten Signale voneinander abweichen.

2. Fehlererkennungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
in den Abgassträngen (21, 22) jeweils ein Abgasturbolader (4, 5) angeordnet ist,
eine gemeinsame Vorrichtung (3) zur Erfassung der zugeführten Luft (ml) als Regelgröße,
ein auf alle Abgasturbolader (4, 5) wirkender Steller (15) für die zugeführte Luft,
ein Regler (16) für die zugeführte Luft, der durch Ansteuerung des Stellers (15) den Wert der zugeführten Luft (ml) einem Sollwert nachführt und
eine Steuerung (24) für die zugeführte Luft, die abhängig von Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine (1) den Steller (15) ansteuert, vorgesehen sind, wobei die Fehlererkennungseinrichtung (23) von einer Ansteuerung des Stellers (15) durch den Regler (16) auf eine Ansteuerung durch die Steuerung (24) umstellt, wenn sie einen Fehler erkennt.

3. Fehlererkennungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine eine Verstelleinrichtung (30) zur gemeinsamen Verstellung der Winkellage von Nockenwellen der Brennkraftmaschine aufweist und die Fehlererkennungseinrichtung (23) einen Fehler in der Verstelleinrichtung erkennt, wenn die von den Lambda-Sonden (27, 28) gelieferten Signale auf eine Betätigung der Verstelleinrichtung hin voneinander abweichen.

4. Fehlererkennungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine eine Verstelleinrichtung (30) zur gemeinsamen Verstellung des Ventilhubes von Einlaßventilen und/oder Auslaßventilen der Brennkraftmaschine aufweist und die Fehlererkennungseinrichtung (23) einen Fehler in der Verstelleinrichtung erkennt, wenn die von den Lambda-Sonden (27, 28) gelieferten Signale auf eine Betätigung der Verstelleinrichtung hin voneinander abweichen.

5. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1), die zumindest zwei Abgasstränge (21, 22), zumindest zwei Lambda-Regelkreise mit jeweils einer Lambda-Sonde (27, 28) in einem Abgasstrom, wobei die Lambda-Sonden (27, 28) ein stetiges Signal für den Lambda-Wert des Abgases erzeugen, eine gemeinsame Meßeinrichtung (3) zur Erfassung der zugeführten Luft (ml) und eine gemeinsame Steuereinrichtung (29) zu Zumessen von Kraftstoff aufweist mit den Schritten:

• - Bestimmen des Lambda-Wertes (L1, L2) des Abgases für jeden Abgasstrang (21, 22),
• - Berechnen der Differenz der Lambda-Werte,
• - Vergleichen der Differenz mit einem Grenzwert und
• - Ausgeben eines Fehlersignales für einen Fehler in einem Abgasstrang (21, 22) oder an einem diesem Abgasstrang zugeordneten Bauteil, wenn die Differenz größer als ein Grenzwert ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

• - Ermitteln eines Stellwertes (tv) für die Ansteuerung eines auf alle Abgasturbolader (4, 5) der Brennkraftmaschine (1) wirkenden Stellers (15) für die zugeführte Luft durch ein Verfahren zur Regelung der zugeführten Luft, wenn kein Fehlersignal vorliegt oder
• - Ermitteln des Stellwertes (tv) für die Ansteuerung des Stellers (15) durch ein Verfahren zur Steuerung der zugeführten Luft, wenn ein Fehlersignal vorliegt.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch die Schritte zum Ausgeben eines Fehlersignales:

• - Durchführen des Verfahrens, wenn eine Verstelleinrichtung (30) zur gemeinsamen Verstellung der Winkellage von Nockenwellen der Brennkraftmaschine betätigt wird und
• - Zuordnen des Fehlersignales zu der Verstelleinrichtung, wenn das Fehlersignal innerhalb eines Zeitfensters nach Betätigen der Verstelleinrichtung erstmals auftritt.

8. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch die Schritte zum Ausgeben eines Fehlersignales:

• - Durchführen des Verfahrens, wenn eine Verstelleinrichtung (30) zur gemeinsamen Verstellung des Ventilhubes von Einlaßventilen und/oder Auslaßventilen der Brennkraftmaschine betätigt wird und
• - Zuordnen des Fehlersignales zu der Verstelleinrichtung (30), wenn das Fehlersignal innerhalb eines Zeitfensters nach Betätigen der Verstelleinrichtung erstmals auftritt.