DE102020126770A1 - Determination of a combustion delay in a cylinder of an internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines Brennverzugs in einem Zylinder eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug, aufweisend die Schritte: Bestimmen eines Diagnose-Zeitfensters innerhalb eines Drehmomentlochs eines der Takte des Verbrennungsmotors während eines Fahrbetriebs des Kraftfahrzeugs, Identifizieren eines Zylinders, welcher sich zu Beginn des Diagnose-Zeitfensters in einem Kompressionstakt befindet, Ermitteln einer Drehzahlentwicklung des Verbrennungsmotors während des Diagnose-Zeitfensters, insbesondere mit einer echtzeitfähigen Samplingqualität, und Ermitteln eines Brennverzugskennwerts (BV) im identifizierten Zylinder.The invention relates to a method for determining a combustion delay in a cylinder of an internal combustion engine in a motor vehicle, having the steps: determining a diagnostic time window within a torque gap of one of the cycles of the internal combustion engine while the motor vehicle is being driven, identifying a cylinder which is at the beginning of the Diagnosis time window is in a compression stroke, determining a speed development of the internal combustion engine during the diagnosis time window, in particular with a real-time capable sampling quality, and determining a combustion delay characteristic (BV) in the identified cylinder.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines Brennverzugs in einem Zylinder eines Verbrennungsmotors, ein Motorsteuergerät für einen Verbrennungsmotor, sowie einen Verbrennungsmotor mit mehreren Zylindern und einem Motorsteuergerät.The invention relates to a method for determining a combustion delay in a cylinder of an internal combustion engine, an engine control unit for an internal combustion engine, and an internal combustion engine with a plurality of cylinders and an engine control unit.
Unrunder Motorlauf und Verbrennungsaussetzer sind ein grundsätzliche Problem bei Verbrennungsmotoren, die zumindest zu einem fehlerhaften Aufbau des Vortriebs-Drehmoments führen können. Dass ein fehlerhafter Drehmomentaufbau vorliegt, lässt sich regelmäßig an der Ausgangsgröße der Motordrehzahl - sprich an der Drehzahlentwicklung der Kurbelwelle - auslesen.Rough engine running and combustion misfires are a fundamental problem in combustion engines, which can at least lead to an incorrect build-up of the propulsion torque. The fact that there is a faulty torque build-up can be regularly read from the output variable of the engine speed - i.e. the speed development of the crankshaft.
Allerdings reicht das reine Wissen um das Vorliegen irgendeines Fehlers zumeist nicht aus, um Abhilfe zu schaffen. Für die Behebung des Fehlers ist eine eindeutige Diagnose der Fehlfunktion notwendig, wobei die Ursachen für Verbrennungsaussetzer und/oder unrunden Motorlauf extrem unterschiedlich sein können.However, the mere knowledge of the existence of an error is usually not enough to remedy the situation. A clear diagnosis of the malfunction is necessary to rectify the fault, whereby the causes of combustion misfires and/or rough engine running can be extremely different.
Eine genaue Diagnose ist mit gegenwärtigen Diagnosesysteme sehr komplex und benötigt diverse Informationen aus verschiedenen Teilsystemen des Verbrennungsmotors. Schon eine Unterscheidung mechanischer Probleme im Zylinder (beispielsweise in der Gleitpaarung) einerseits und von Problemen in der Gasfüllung (Ladungswechsel) oder im Luftpfad andererseits sind bei einem Werkstattbesuch des Kunden mit dem funktionsbeeinträchtigten Motor schwierig.An accurate diagnosis is very complex with current diagnostic systems and requires various information from different subsystems of the combustion engine. Even distinguishing between mechanical problems in the cylinder (e.g. in the sliding couple) on the one hand and problems in the gas filling (charge exchange) or in the air path on the other hand is difficult when the customer visits the workshop with the functionally impaired engine.
Ein Werkstattbesuch mit einem unrund laufenden Motor kann für den Kunden daher unerfreulich bzgl. der Erfolgswahrscheinlichkeit einer zutreffenden ersten Diagnose sein.A visit to the workshop with an engine that is not running smoothly can therefore be unpleasant for the customer with regard to the probability of a correct initial diagnosis being successful.
Um dergleichen immer besser zu vermeiden, gewinnen Möglichkeiten einer vorausschauenden Wartung („predictive maintenance“, auch „Gesundheitsfunktionen“ genannt) für Verbrennungsmotoren immer größere Bedeutung. Diese sollen den aktuellen Performancezustand - und damit den Wartungsbedarf - insbesondere hinsichtlich benötigtem Wartungsumfang und hinsichtlich einer vorteilhaften Zeitschiene quantifizieren.In order to avoid such things better and better, options for predictive maintenance (also known as “health functions”) for combustion engines are becoming increasingly important. These are intended to quantify the current performance status - and thus the maintenance requirement - in particular with regard to the required scope of maintenance and with regard to an advantageous timeline.
Vor dem Hintergrund der beschriebenen Probleme ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Identifizierung einer Fehlerursache für unrunden Motorlauf und/oder Verbrennungsaussetzer zu ermöglichen, und insbesondere eine verbesserte Ermittlung eines Brennverzugs in einem Zylinder eines Verbrennungsmotors bereitzustellen.Against the background of the problems described, it is an object of the invention to enable improved identification of a fault cause for rough engine running and/or combustion misfires, and in particular to provide improved determination of combustion delay in a cylinder of an internal combustion engine.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Ermittlung eines Brennverzugs in einem Zylinder eines Verbrennungsmotors mit den Merkmalen von Anspruch 1, ein Motorsteuergerät für einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen von Anspruch 9, sowie einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen von Anspruch 12. Vorteilhafte Ausführungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This object is achieved by a method for determining a combustion delay in a cylinder of an internal combustion engine having the features of
Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zur Ermittlung eines Brennverzugs in einem, insbesondere von mehreren, Zylindern eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug angegeben, aufweisend zumindest einen, mehrere oder alle der folgenden Verfahrensschritte - in der angegebenen oder einer anderen fachmännisch sinnvollen Reihenfolge:
- (a) Bestimmen eines Diagnose-Zeitfensters innerhalb eines Drehmomentlochs eines der Takte des Verbrennungsmotors während eines Fahrbetriebs des Kraftfahrzeugs. Unter einem Diagnose-Zeitfenster ist speziell ein zusammenhängender Zeitraum als Anteil eines Kompressionstakts und/oder eines Arbeitstakts in dem Verbrennungsmotor (beispielsweise einer der Takte einer Viertakt-Verbrennung in einem Viertaktmotor) zu verstehen. Unter einem Diagnose-Zeitpunkt ist insbesondere ein Zeitpunkt innerhalb des Diagnose-Zeitfensters zu verstehen, für welchen eine, mehrere oder alle Bestimmungsgrößen einer zu ermittelnden Zielgröße ermittelt werden. Unter einem Drehmomentloch ist vorliegend insbesondere ein Kurbelwinkelbereich zu verstehen, in welchem der betrachtete Zylinder und/oder mehrere oder alle anderen Zylinder des Motors keinen im Kontext relevanten Beitrag zu einem Vortriebs-Drehmoment leisten (d.h. im Kontext eines Brennverzugs kann auch nach der Zündung während des Brennverzugs noch von einem Drehmomentloch gesprochen werden, da ja quasi aus der Definition des Brennverzugs schon resultiert, dass in dieser Zeit kein relevanter Vortriebs-Drehmomentbeitrag an die Kurbelwelle geliefert wird).
- (b) Identifizieren eines Zylinders, welcher sich zu Beginn des Diagnose-Zeitfensters in einem Kompressionstakt (sprich in einem Kurbelwinkel-Bereich von einem unteren Totpunkt (UT) zum Zündungs-oberen Totpunkt (ZOT)) oder in einem Arbeitstakt (sprich in einem Kurbelwinkel-Bereich von einem Zündungs-oberen Totpunkt (ZOT) zum unteren Totpunkt (UT)) befindet. Die Identifikation dieses/dieser Zylinder kann insbesondere durch ein Auslesen vorhandener Informationen aus einem Betriebsmodell, insbesondere der Motorsteuerung, erfolgen. Insbesondere wird bei einem Viertakter-Motor mit vier Zylindern derjenige Zylinder identifiziert, welcher sich zu Beginn des Diagnose-Zeitfensters in einem Kompressionstakt oder in einem Arbeitstakt befindet.
- (c) Ermitteln einer Drehzahlentwicklung des Verbrennungsmotors während des Diagnose-Zeitfensters, insbesondere mit einer echtzeitfähigen Samplingqualität, Unter einer Drehzahlentwicklung ist vorliegend insbesondere zu verstehen, wie sich eine an der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors anliegende Drehzahl während des Diagnose-Zeitfensters entwickelt. Dazu können Werte für die Drehzahl mit einem geringen Samplingintervall, beispielsweise im Bereich von einer Millisekunde (ms) oder kleiner, zwischen zeitlich benachbarten Werten, (also insbesondere mit einer echtzeitfähigen Samplingqualität) verwendet werden.
- (d) Ermitteln eines Brennverzugskennwerts im identifizierten Zylinder, insbesondere während des Diagnose-Zeitfensters, in Abhängigkeit von der ermittelten Drehzahlentwicklung, insbesondere im Diagnose-Zeitfenster.
- (a) Determining a diagnosis time window within a torque gap of one of the cycles of the internal combustion engine while the motor vehicle is being driven. A diagnosis time window is to be understood specifically as a continuous period of time as a portion of a compression stroke and/or a power stroke in the internal combustion engine (for example one of the strokes of four-stroke combustion in a four-stroke engine). A diagnosis point in time is to be understood in particular as a point in time within the diagnosis time window for which one, several or all parameters of a target variable to be determined are determined. In the present case, a torque hole is to be understood in particular as a crank angle range in which the cylinder under consideration and/or several or all other cylinders of the engine do not make any contribution to a propulsion torque that is relevant in the context (i.e. in the context of a combustion delay, even after ignition during the combustion delay can still be referred to as a torque hole, since the definition of combustion delay already means that no relevant propulsion torque contribution is delivered to the crankshaft during this time).
- (b) Identifying a cylinder which is at the beginning of the diagnosis time window in a compression stroke (i.e. in a crank angle range from bottom dead center (UT) to ignition top dead center (ZOT)) or in a power stroke (i.e. in a crank angle -Range from an ignition top dead center (ZOT) to bottom dead center (UT)). This/these cylinders can be identified in particular by reading out existing information from an operating model, in particular the engine control. In particular, in the case of a four-stroke engine with four cylinders, that cylinder which is in a compression stroke or in a power stroke at the beginning of the diagnosis time window is identified.
- (c) Determining a speed development of the internal combustion engine during the diagnosis time window, in particular with a real-time capable sampling quality. In the present case, a speed development is to be understood in particular as how a speed applied to the crankshaft of the internal combustion engine develops during the diagnosis time window. For this purpose, values for the rotational speed with a small sampling interval, for example in the range of one millisecond (ms) or less, between adjacent values (ie in particular with a real-time capable sampling quality) can be used.
- (d) Determination of a combustion delay characteristic in the identified cylinder, in particular during the diagnosis time window, as a function of the determined speed development, in particular in the diagnosis time window.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Motorsteuergerät für einen Verbrennungsmotor angegeben, das dazu eingerichtet ist, insbesondere mittels eines Verfahrens gemäß einer Ausführung der Erfindung, ermittelte und/oder in einem Speicher, insbesondere einem nicht-flüchtigen Speicher, abgelegte, Ausprägungen eines Brennverzugskennwerts zu übergeben (I) an eine Diagnosekomponente des Motorsteuergeräts für weitere Onboard-Diagnosefunktionen, und/oder (II) an eine Steuerkomponente des Motorsteuergeräts für eine Echtzeitregelung von Funktionen des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit von dem ermittelten Brennverzugskennwert.According to a further aspect, an engine control unit for an internal combustion engine is specified, which is set up to transfer, in particular by means of a method according to an embodiment of the invention, characteristics of a combustion delay characteristic determined and/or stored in a memory, in particular a non-volatile memory ( I) to a diagnostic component of the engine control unit for further onboard diagnostic functions, and/or (II) to a control component of the engine control unit for real-time regulation of functions of the internal combustion engine as a function of the determined combustion delay characteristic.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Einrichtung zur Ermittlung eines Brennverzugskennwert in einem Zylinder eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug mit mehreren Zylindern angegeben, wobei die Einrichtung insbesondere in einem Motorsteuergerät gemäß einer Ausführung der Erfindung ausgeführt ist, und/oder dazu eingerichtet ist, ein Verfahren gemäß einer Ausführung der Erfindung durchzuführen, und wobei die Einrichtung zumindest eines oder mehreres oder alles von folgendem aufweist:
- (i) eine Drehzahl-Erfassungseinheit, die dazu eingerichtet ist, eine Drehzahl einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors zu erfassen, und gemäß einer Ausführung die erfassten Werte in einer Samplingzeit, insbesondere von ca. 0,5 oder 0,75 oder 1 ms bereitzustellen und/oder an eine Recheneinheit zu übermitteln, und/oder
- (ii) eine Zylindervolumen-Ermittlungseinheit, die dazu eingerichtet ist, ein Zylindervolumen in Abhängigkeit von einer Winkelstellung der Kurbelwelle zu ermitteln und/oder an eine Recheneinheit zu übermitteln, und/oder
- (iii) Zylindertemperatur-Ermittlungseinheit, die dazu eingerichtet ist, eine Zylindertemperatur in Abhängigkeit von einem Lastfall und/oder einer Drehzahl der Kurbelwelle zu ermitteln und/oder an eine Recheneinheit zu übermitteln, und/oder
- (iv) eine Restgasanteil-Ermittlungseinheit, die dazu eingerichtet ist, einen Restgasanteil in Abhängigkeit von erfassten Drehzahlen und/oder einer Drehzahlentwicklung der Kurbelwelle im Diagnosezeitfenster zu ermitteln und/oder an eine Recheneinheit zu übermitteln, und/oder
- (v) wenigstens eine Lambdasonde, die dazu eingerichtet ist, ein Verbrennungsluftverhältnis von in den Zylinder eingeführtem Luft-Kraftstoff-Gemisch zu ermitteln und/oder an eine Recheneinheit zu übermitteln, und/oder
- (vi) eine Brennverzugs-Ermittlungseinheit, die dazu eingerichtet ist, eine Ausprägung eines Brennverzugskennwert in Abhängigkeit von erfassten Drehzahlen und/oder einer Drehzahlentwicklung der Kurbelwelle im Diagnosezeitfenster zu ermitteln und/oder an eine Recheneinheit zu übermitteln
- (i) a speed detection unit that is set up to detect a speed of a crankshaft of the internal combustion engine and, according to one embodiment, to provide the detected values in a sampling time, in particular of approximately 0.5 or 0.75 or 1 ms and/ or to transmit to a processing unit, and/or
- (ii) a cylinder volume determination unit that is set up to determine a cylinder volume as a function of an angular position of the crankshaft and/or to transmit it to a computing unit, and/or
- (iii) Cylinder temperature determination unit, which is set up to determine a cylinder temperature as a function of a load case and/or a rotational speed of the crankshaft and/or to transmit it to a computing unit, and/or
- (iv) a residual gas portion determination unit that is set up to determine a residual gas portion as a function of detected speeds and/or a speed development of the crankshaft in the diagnostic time window and/or to transmit it to a computing unit, and/or
- (v) at least one lambda probe, which is set up to determine and/or to transmit to a computing unit a combustion air ratio of the air-fuel mixture introduced into the cylinder, and/or
- (vi) a combustion delay determination unit, which is set up to determine and/or to transmit to a computing unit a characteristic of a combustion delay characteristic value as a function of detected speeds and/or a speed development of the crankshaft in the diagnosis time window
Ferner weist die Einrichtung gemäß einer Ausführung auf (vii) eine Recheneinheit, die dazu eingerichtet ist, die Drehzahl-Erfassungseinheit und/oder die Restgasanteil-Ermittlungseinheit und/oder die Zylindervolumen-Ermittlungseinheit und/oder die Zylindertemperatur-Ermittlungseinheit und/oder wenigstens eine Lambdasonde und/oder eine Brennverzugs-Ermittlungseinheit zu steuern und/oder dort erfasste Messwerte bzw. dort ermittelte Ausprägungen und/oder dort jeweils hinterlegte Daten übermittelt zu bekommen. Die Recheneinheit ist insbesondere dazu eingerichtet, ein Diagnose-Zeitfenster innerhalb eines Drehmomentlochs eines der Takte des Verbrennungsmotors während eines Fahrbetriebs des Kraftfahrzeugs zu bestimmen, und wenigstens einen Zylinder zu identifizieren, welcher sich zu Beginn des Diagnose-Zeitfensters in einem Kompressionstakt oder einem Arbeitstakt befindet.Furthermore, according to one embodiment, the device has (vii) a computing unit which is set up to determine the speed detection unit and/or the residual gas percentage determination unit and/or the cylinder volume determination unit and/or the cylinder temperature determination unit and/or at least one lambda probe and/or to control a combustion delay determination unit and/or measured values recorded there or to have the characteristics determined there and/or the data stored there transmitted. The processing unit is set up in particular to determine a diagnosis time window within a torque gap of one of the strokes of the internal combustion engine while the motor vehicle is being driven, and to identify at least one cylinder which is in a compression stroke or a power stroke at the beginning of the diagnosis time window.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verbrennungsmotor mit mehreren Zylindern angegeben, aufweisend ein Motorsteuergerät gemäß einer Ausführung der Erfindung, wobei der Verbrennungsmotor insbesondere einen, zwei, drei, vier, sechs oder acht Zylinder aufweist und/oder als Otto- oder Diesel-Viertakt- oder Wankelmotor ausgebildet ist. Ein typisches Einsatzgebiet der Erfindung sind beispielsweise Vierzylinder-Otto- oder -Diesel-Motoren.According to a further aspect, an internal combustion engine with multiple cylinders is specified, having an engine control unit according to one embodiment of the invention, the internal combustion engine having in particular one, two, three, four, six or eight cylinders and/or as a four-stroke Otto or diesel engine or Wankel engine is formed. A typical area of application for the invention is, for example, four-cylinder Otto or diesel engines.
Der Erfindung liegt unter anderem die Überlegung zugrunde, dass der Brennverzug in den einzelnen Zylindern eine elementare Kenngröße für die Verbrennungseffizienz, aber nicht direkt messbar ist. Wenn (ohne Werkstattaufenthalt mit Spezialausrüstung) die Performance des Verbrennungsmotors kontinuierlich überwacht werden soll, ist die Erfassung im Fahrzustand daher jedoch erforderlich.The invention is based, among other things, on the consideration that the combustion delay in the individual cylinders is an elementary parameter for the combustion efficiency, but cannot be measured directly. However, if the performance of the combustion engine is to be continuously monitored (without visiting a workshop with special equipment), it must be recorded while the vehicle is being driven.
Die Brennkammer im Zylinder (auch vereinfachend als „der Zylinder“ bezeichnet) beinhaltet zur Verbrennung ein Aerosol mit einer Luftmasse und einer Kraftstoffmasse. Typischerweise und so auch vorliegend ist der Begriff Brennverzug insbesondere bei Ottomotoren definiert durch eine Spanne (normalerweise und vorliegend angegeben in Grad Kurbelwinkel - °KW) zwischen der Zündung des in der Brennkammer vorhandenen Gemischs und der ersten merklichen Wärmefreisetzung beim 5% Umsatzpunkt; also wenn 5% des Aerosols bei der Verbrennung chemisch umgesetzt sind.The combustion chamber in the cylinder (also referred to simply as "the cylinder") contains an aerosol with an air mass and a fuel mass for combustion. Typically and so also in the present case, the term combustion delay is defined, in particular in the case of Otto engines, by a range (normally and in the present case specified in crank angle degrees - °KW) between the ignition of the mixture present in the combustion chamber and the first noticeable heat release at the 5% conversion point; i.e. when 5% of the aerosol is chemically converted during combustion.
Die Länge des Brennverzugs bestimmt sehr stark die Verbrennungsqualität, den Verbrauch, den Fahrkomfort und die Emissionen. Brennverzüge können nicht direkt im Auto/ am Prüfstand gemessen werden. Es kann damit keine Diagnose auf Basis von Brennverzügen gemacht werden. Auch Regelungen auf Basis des Sollbrennverzugs können nicht umgesetzt werden.The length of the combustion delay determines the combustion quality, consumption, driving comfort and emissions to a very large extent. Combustion delays cannot be measured directly in the car/on the test bench. This means that no diagnosis can be made on the basis of combustion distortions. Regulations based on the target combustion delay cannot be implemented either.
Die Erfindung basiert nun unter anderem auf der Idee, einen realen Brennverzug bzw. zumindest einen Kennwert für einen realen Brennverzug, insbesondere im Fahrbetrieb und/oder auf dem Motorsteuergerät, zu ermitteln, und dabei Annahmen sowie Mess- und Kennfeldwerte so zu verwenden, dass eine ausreichend gute Näherung des realen Brennverzug ermittelt werden kann, um auf dieser Basis weitergehende Diagnosefunktionalitäten (onboard und/oder offboard) und/oder Eingriffe in die Motorsteuerung mit dem Zweck eines optimierten Betriebs des Verbrennungsmotors zu ermöglichen. Dazu werden ermittelte Ausprägungen des Brennverzugskennwerts gemäß einer Ausführung den Diagnosen und Regelungen in Echtzeit während des Motorbetriebs zur Verfügung gestellt.The invention is based, among other things, on the idea of determining a real combustion delay or at least one characteristic value for a real combustion delay, in particular during driving operation and/or on the engine control unit, and using assumptions as well as measurement and map values in such a way that a sufficiently good approximation of the real combustion delay can be determined in order to enable further diagnostic functionalities (onboard and/or offboard) and/or interventions in the engine control with the purpose of an optimized operation of the internal combustion engine on this basis. For this purpose, according to one embodiment, the characteristics of the combustion delay characteristic that are determined are made available to the diagnoses and controls in real time during engine operation.
Gemäß einer Ausführung wird dazu eine Energiebilanz des Zylinders im Bereich des auftretenden Brennverzugs (zwischen Zündzeitpunkt und erstem Abheben der Druckkurve) berechnet. Mit geeigneten Annahmen für die Berechnung wird eine sogenannte „schnelle Heizverlaufsrechnung“ für Steuergeräteanwendungen implementiert - dabei werden die Annahmen zur Vereinfachung der Berechnung eingesetzt, damit eine Echtzeitfähigkeit der Berechnung auch mit den beschränkten Berechnungskapazitäten der Motorsteuerung und/oder anderer verwendeter Fahrzeugsteuergeräte möglich ist. Die Heizverlaufsrechnung wird mit zum Betriebsbereich zugehörig ermittelten, diagnostischen Ausprägungen eines Zylinderdrucks (Berechnung beispielsweise wie in
Die ermittelten Brennverzüge können dann genutzt werden für online-Diagnosen am Fahrzeug (insbesondere hinsichtlich Zündungskomponenten und Einspritzsystem). Die ermittelten Brennverzüge können aber auch genutzt werden, um kompensatorische Regelprozesse für die Optimierung der erzielten Verbrennungs-Schwerpunktlage im Betrieb zu bedienen. Dies kann im Weiteren geringere Emissionshöhen, erhöhten Fahrkomfort und optimale Verbräuche ermöglichen.The combustion delays determined can then be used for online diagnostics on the vehicle (in particular with regard to ignition components and the injection system). However, the determined combustion delays can also be used to operate compensatory control processes to optimize the combustion center of gravity achieved during operation. This can subsequently enable lower emission levels, increased driving comfort and optimal consumption.
Gemäß einer Ausführung wird zunächst die Energiebilanz im Zylinder aufgestellt. Dabei können die Wandwärmeverluste und die Enthalpieverluste näherungsweise gleich Null gesetzt werden, ohne eine zu große Ungenauigkeit in die Berechnung zu bringen. Wegen des kleinen betrachteten Kurbelwinkelbereichs kann der innere Energiegehalt linear interpoliert werden. Die betrachtete Wärmearbeit kann auf die Definition des Brennbeginns bei 5% Verbrennungsumsatz bezogen werden. Der untere Heizwert kann ausreichend genau als konstant und ggf. auch als identisch für Diesel- bzw. Ottokraftstoff angesehen und fachmännisch entsprechend bestimmt werden. Weil zwischen Zündung und Brennbeginn definitionsgemäß noch keine wesentliche Wärmefreisetzung stattfindet, kann für die Brennverzugsberechnung eine polytrope Temperaturänderung angenommen werden. Die benötigten Druckdaten können aus einem hochauflösenden Drehzahlsignal ermittelt werden, beispielsweise wie in
Gemäß einer Ausführung wird der Brennverzugskennwert in Abhängigkeit von einer Kurbelwinkeldifferenz zwischen einer Zündungs-Kurbelwinkelstellung zu einem Zündzeitpunkt des identifizierten Zylinders und einer Brennbeginn-Kurbelwinkelstellung zu einem definierten Brennbeginn des identifizierten Zylinders ermittelt. Damit kann ein direkter Zusammenhang zwischen der Drehzahlentwicklung und dem Anbrennverhalten im Zylinder hergestellt werden, was eine Ermittlung des Brennverzugs über eine direkt messbare Größe vereinfacht.According to one embodiment, the combustion delay characteristic is determined as a function of a crank angle difference between an ignition crank angle position at an ignition point of the identified cylinder and a combustion start crank angle position at a defined start of combustion of the identified cylinder. In this way, a direct connection can be established between the speed development and the combustion behavior in the cylinder, which simplifies the determination of the combustion delay using a directly measurable variable.
Gemäß einer Ausführung wird die Brennbeginn-Kurbelwinkelstellung iterativ ermittelt. Dabei wird insbesondere ein Startwert für die Brennbeginn-Kurbelwinkelstellung in Abhängigkeit von dem Zündzeitpunkt gewählt. In den nachfolgenden Iterationsschritten wird der Startwert auf beiden Seiten der Gleichungen solange verstellt, bis die Differenz der zwei Gleichungsseiten einer Berechnungsgleichung ein gewisses Abweichungskriterium unterschreitet. Dann wird die Iteration abgebrochen und die Ausprägung die Brennbeginn-Kurbelwinkelstellung gilt somit als iterativ bestimmt. Diese Art der Bestimmung ist genau, aber ressourcenintensiv und damit nicht oder nur eingeschränkt für Echtzeitanwendung geeignet. Anwendbar ist sie daher primär abseits des Fahrzeugs, wo beispielsweise eine Messreihe anhand des Drehzahlsignals aufbereitet und der Brennverzug „offboard ausgewertet werden kann.According to one embodiment, the start of combustion crank angle position is determined iteratively. In this case, in particular, a starting value for the crank angle position at the start of combustion is selected as a function of the ignition point. In the subsequent iteration steps, the starting value on both sides of the equations is adjusted until the difference between the two sides of a calculation equation falls below a certain deviation criterion. The iteration is then aborted and the expression of the crank angle position at the start of combustion is therefore considered to be determined iteratively. This type of determination is precise, but resource-intensive and therefore not suitable, or only suitable to a limited extent, for real-time use. It is therefore primarily applicable away from the vehicle, where, for example, a series of measurements can be processed using the speed signal and the combustion delay can be evaluated offboard.
Gemäß einer zusätzlichen oder alternativen Ausführung wird die Brennbeginn-Kurbelwinkelstellung interpolierend ermittelt. Es werden zwei Startwerte für die Brennbeginn-Kurbelwinkelstellung gewählt: ein erster nah am Zündzeitpunkt, z.B. 30°KW vor ZOT, sowie ein zweiter entfernt vom Zündzeitpunkt, z.B. 20°KW später, hier entsprechend 10°KW vor ZOT. Für beide Startwerte werden die beiden Seiten einer Berechnungsgleichung berechnet und die Restdifferenz der Ergebnisse für die beiden Seiten ausgewertet. Mit den beiden Restdifferenzen wird in diesem gewählten Auswertefenster eine lineare Interpolation der Deltafunktion vorgenommen, um den Kurbelwinkel mit dem minimalen Delta (typischerweise einen Nullpunktsdurchgang) zu ermitteln. Auf diese Weise gilt die Brennbeginn-Kurbelwinkelstellung als interpoliert bestimmt. Diese Art der Bestimmung ist schnell und erfordert weniger Iterationsschritte; aber ist weniger genau aufgrund weiterer Linearisierung. Anwendbar ist sie daher primär „onboard“ auf dem Fahrzeug, beispielsweise für Online Diagnosezwecke.According to an additional or alternative embodiment, the crank angle position at the start of combustion is determined by interpolation. Two starting values for the start of combustion crank angle position are selected: a first close to the ignition point, e.g. 30° CA before ITDC, and a second further away from the ignition point, e.g. 20° CA later, here corresponding to 10°CA before ITDC. The two sides of a calculation equation are calculated for both start values and the remaining difference of the results for the two sides is evaluated. With the two residual differences, a linear interpolation of the delta function is carried out in this selected evaluation window in order to determine the crank angle with the minimum delta (typically a zero crossing). In this way, the start-of-combustion crank angle position is determined as being interpolated. This type of determination is fast and requires fewer iterations; but is less accurate due to further linearization. It can therefore primarily be used "onboard" on the vehicle, for example for online diagnostic purposes.
Gemäß einer Ausführung ist vorgesehen das Ermitteln einer Temperatur im identifizierten Zylinder zu einem Diagnosezeitpunkt im Diagnose-Zeitfenster, und das Ermitteln des Brennverzugskennwerts in Abhängigkeit von der ermittelten Temperatur. Dadurch kann der Brennverzugskennwert über fluidphysikalische Zusammenhänge, insbesondere die Energiebilanz im Zylinder, ermittelt werden.According to one embodiment, the determination of a temperature in the identified cylinder at a diagnosis point in time in the diagnosis time window is provided, and the determination of the combustion delay characteristic as a function of the determined temperature. As a result, the combustion delay parameter can be determined via fluid-physical relationships, in particular the energy balance in the cylinder.
Gemäß einer Ausführung wird die Temperatur ermittelt, indem sie als geschätzte Konstante für einen, mehrere oder alle Betriebsfälle des Verbrennungsmotors vorbestimmt wird. Das vereinfacht den Berechnungsaufwand bei der Ermittlung des Brennverzugskennwerts, ohne eine zu große Verfälschung der Ergebnisse zu bedingen.According to one embodiment, the temperature is determined by being predetermined as an estimated constant for one, several or all operating cases of the internal combustion engine. This simplifies the calculation effort when determining the combustion delay parameter without causing the results to be too falsified.
Alternativ wird gemäß einer Ausführung die Temperatur ermittelt, indem sie aus einem vorbefüllten Kennfeld in Abhängigkeit von einer Motorlast und der Motordrehzahl ausgelesen wird. Damit ergibt sich ein genaueres Berechnungsergebnis als bei der Annahme einer Konstante.Alternatively, according to one embodiment, the temperature is determined by being read out from a pre-filled characteristic diagram as a function of an engine load and the engine speed. This results in a more precise calculation result than when a constant is assumed.
Gemäß einer Ausführung wird zur Berücksichtigung der Volumen-bezogenen Gegebenheiten des Zylinders der Brennverzugskennwert in Abhängigkeit von einem Zylindervolumen zu einem Diagnosezeitpunkt im (d.h. während des) Diagnose-Zeitfenster/s ermittelt, wobei insbesondere das Zylindervolumen aus einem vorbefüllten Kennfeld in Abhängigkeit von einer Kurbelwinkelstellung und/oder einer Geometrie des Kurbeltriebs und des Zylinders ausgelesen wird.According to one embodiment, the combustion delay characteristic value is determined as a function of a cylinder volume at a diagnosis time in (i.e. during) the diagnosis time window/s in order to take into account the volume-related conditions of the cylinder, with the cylinder volume being determined from a pre-filled characteristic map as a function of a crank angle position and /or a geometry of the crank mechanism and the cylinder is read out.
Um die Ermittlung des Brennverzugskennwerts auf der Motorsteuerung ohnehin vorliegende Größen zurückführen zu können, ist gemäß einer Ausführung vorgesehen das Ermitteln eines Verbrennungsluftverhältnisses im identifizierten Zylinder zu einem Diagnosezeitpunkt im Diagnose-Zeitfenster, und das Ermitteln des Brennverzugskennwerts in Abhängigkeit von dem ermittelten Verbrennungsluftverhältnis.In order to be able to trace the determination of the combustion delay parameter back to variables that are already present in the engine control system, one embodiment provides for the determination of a combustion air delay ratio in the identified cylinder at a diagnosis point in time in the diagnosis time window, and determining the combustion delay characteristic as a function of the determined combustion air ratio.
Um die Ermittlung des Brennverzugskennwerts auf der Motorsteuerung ohnehin vorliegende Größen zurückführen zu können, ist gemäß einer Ausführung vorgesehen, dass der Brennverzugskennwert in Abhängigkeit von einer zum Diagnosezeitpunkt im diagnostizierten Zylinder vorhandenen Kraftstoffmasse ermittelt wird.In order to be able to trace the determination of the combustion delay parameter back to variables that are already present in the engine controller, one embodiment provides that the combustion delay parameter is determined as a function of a fuel mass present in the diagnosed cylinder at the time of diagnosis.
Um die Energiebilanz im diagnostizierten Zylinder zur Bestimmung des Brennverzugs heranziehen zu können, wird gemäß einer Ausführung der Brennverzugskennwert in Abhängigkeit von einer inneren Energie des Gasgemisches im diagnostizierten Zylinder zum Diagnosezeitpunkt ermittelt.In order to be able to use the energy balance in the diagnosed cylinder to determine the combustion delay, according to one embodiment the combustion delay characteristic value is determined as a function of an internal energy of the gas mixture in the diagnosed cylinder at the time of diagnosis.
Gemäß einer Ausführung erfolgt zur weiteren Verarbeitung der ermittelten Brennverzugskennwerte ein, insbesondere ein regelmäßig getaktetes Ablegen des ermittelten Restgasgehalts zum Diagnosezeitpunkt in einem nichtflüchtigen Speicher eines Motorsteuergeräts des Verbrennungsmotors, insbesondere zusammen mit den zur Bestimmung der Brennverzugskenngröße ermittelten Betriebspunktgrößen, damit die Betriebssituation des Verbrennungsmotors zugeordnet werden kann.According to one embodiment, for further processing of the determined combustion delay parameters, the residual gas content determined at the time of diagnosis is stored, in particular regularly clocked, in a non-volatile memory of an engine control unit of the internal combustion engine, in particular together with the operating point values determined for determining the combustion delay parameter, so that the operating situation of the internal combustion engine can be assigned .
Dazu ist gemäß einer Ausführung das Motorsteuergerät dazu eingerichtet, einen oder mehrere, zu einem bzw. unterschiedlichen Diagnosezeitpunkten, insbesondere, ermittelte Ausprägungen des Brennverzugskennwerts in dem nichtflüchtigen Speicher abzulegen.For this purpose, according to one embodiment, the engine control unit is set up to store one or more characteristics of the combustion delay characteristic determined at one or different diagnosis times, in particular, in the non-volatile memory.
Gemäß einer Ausführung können die ermittelten und/oder im Speicher abgelegten Ausprägungen der Brennverzugskenngröße zur Weiterverarbeitung übergeben werden. Dabei erfolgt gemäß einer Ausführung die, insbesondere regelmäßig getaktete, Übergabe des Speicherinhalts
- - insbesondere im Fahrbetrieb, an eine Diagnosekomponente des Motorsteuergeräts für weitere Onboard-Diagnosefunktionen, und/oder
- - insbesondere im Fahrbetrieb, an eine Steuerkomponente des Motorsteuergeräts für eine Echtzeitregelung von Funktionen des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit von dem ermittelten Restgasgehalt, und/oder
- - an einen Offboardrechner für Offline-Diagnosefunktionen z.B. im Serviceumfeld.
- - In particular when driving, to a diagnostic component of the engine control unit for further onboard diagnostic functions, and/or
- - In particular when driving, to a control component of the engine control unit for real-time regulation of functions of the internal combustion engine depending on the determined residual gas content, and / or
- - to an offboard computer for offline diagnostic functions, for example in the service environment.
Gemäß einer Ausführung weist die Recheneinheit eine Zylindervolumen-Ermittlungseinheit und/oder eine Zylindertemperatur-Ermittlungseinheit auf und/oder kann auf Messwerte einer, mehrerer oder aller Lambdasonden des Verbrennungsmotors, insbesondere in Echtzeit und/oder während des Fahrbetriebs, zugreifen. According to one embodiment, the computing unit has a cylinder volume determination unit and/or a cylinder temperature determination unit and/or can access measured values from one, several or all lambda probes of the internal combustion engine, in particular in real time and/or during driving operation.
Dazu ist gemäß einer Ausführung das Motorsteuergerät dazu eingerichtet, in dem Speicher abgelegte Ausprägungen des Brennverzugskennwerts an einen Offboardrechner für Offline-Diagnosefunktionen zu übergeben.For this purpose, according to one embodiment, the engine control unit is set up to transfer forms of the combustion delay characteristic value stored in the memory to an offboard computer for offline diagnostic functions.
Für die Ermittlung des Brennverzugskennwerts wird gemäß einer Ausführung ein Diagnose-Zeitfenster in der Kompressionsphase oder in der Arbeitsphase, auf jeden Fall in der drehmomentbeitragsarmen Spanne eines Zylinders bestimmt, in der keine relevante Wärmefreisetzung im Motor erfolgt, typischerweise zwischen 690° Kurbelwinkel und 710° Kurbelwinkel (bezogen auf den Zünd-Oberen-Totpunkt des betroffenen Zylinders bei 720°); ein solcher Kurbelwinkelbereich ohne Wärmefreisetzung wird vorliegend auch als Drehmomentloch bezeichnet, weil in einem solchen Kurbelwinkelbereich insbesondere höchstens ein für die Zwecke der Erfindung vernachlässigbares Vortriebsmoment an die Kurbelwelle übertragen wird.According to one embodiment, to determine the combustion delay characteristic, a diagnostic time window is determined in the compression phase or in the working phase, in any case in the low-torque range of a cylinder in which no relevant heat release occurs in the engine, typically between 690° crank angle and 710° crank angle (in relation to the firing top dead center of the affected cylinder at 720°); Such a crank angle range without heat release is also referred to here as a torque hole, because in such a crank angle range, at most a propulsion torque that is negligible for the purposes of the invention is transmitted to the crankshaft.
Die Erfindung ist wegen der zeitgleichen Wechsel zwischen den einzelnen Takten der verschiedenen Zylinder in besonders einfacher Weise ausführbar bei einem, insbesondere als Viertakter ausgebildeten, Verbrennungsmotor mit vier Zylindern. Natürlich sind gemäß anderer Ausführungen auch andere Zylinderzahlen oder Arbeitsverfahren möglich.Because of the simultaneous change between the individual strokes of the different cylinders, the invention can be implemented in a particularly simple manner in an internal combustion engine with four cylinders, in particular designed as a four-stroke engine. Of course, according to other designs, other numbers of cylinders or working methods are also possible.
Eine Ausführung der Erfindung basiert nun unter anderem auf der Idee, den Brennverzugskennwert im Zylinder während des Fahrbetriebs zu ermitteln, um kontinuierlich und ohne Werkstattaufenthalt mit Spezialausrüstung die Performance des Verbrennungsmotors stetig zu monitoren. Dazu ist es erforderlich, den Brennverzugskennwert im Zylinder anhand einer im Fahrbetrieb hochfrequent und kontinuierlich ermittelbaren Kenngröße des Fahrbetriebs abzuleiten, beispielsweise der Drehzahlentwicklung der Kurbelwelle, insbesondere im Diagnose-Zeitfenster.One embodiment of the invention is based, among other things, on the idea of determining the combustion delay parameter in the cylinder while driving in order to continuously monitor the performance of the internal combustion engine with special equipment without having to visit the workshop. To do this, it is necessary to determine the combustion delay parameter in the cylinder using a high-frequency and continuous measurement during driving derive ren characteristic of the driving operation, for example the speed development of the crankshaft, especially in the diagnosis time window.
Den nachfolgend beschriebenen Verfahrensschritten zur Ermittlung der Drehzahlentwicklung der Kurbelwelle im Fahrbetrieb liegt unter anderem die Überlegung zugrunde, dass die Zyklen eines Viertakt-Verbrennungsmotors (Einlass, Kompression, Arbeitszyklus, Auslass) sich zeitlich zwischen den einzelnen Zylindern überschneiden - sie treten bei verschiedenen Zylindern parallel nebeneinander auf.The method steps described below for determining the speed development of the crankshaft while driving is based, among other things, on the consideration that the cycles of a four-stroke combustion engine (intake, compression, work cycle, exhaust) overlap in time between the individual cylinders - they occur parallel to each other in different cylinders on.
Für die Ermittlung der Drehzahlentwicklung der Kurbelwelle ist gemäß der Ausführung ein Zeitfenster direkt vor der Zündung bei den Zyklen zu identifizieren, welches keinen wesentlichen Aufbau von Vortriebsdrehmoment beinhaltet, d.h. dass sich die Kurbelwelle dann im Wesentlichen allein durch Massenträgheit weiter dreht. In diesem Zeitfenster wird dann beispielsweise der Drehzahleinbruch (beispielsweise Beginn Zeitfenster vs. Ende Zeitfenster) identifiziert. Dieser Drehzahleinbruch entsteht aus den Reibungsverlusten der Mechanik und der Kolbenbremsung durch die Gaskompression.According to the embodiment, to determine the speed development of the crankshaft, a time window must be identified directly before the ignition in the cycles, which does not include any significant build-up of propulsion torque, i.e. the crankshaft then continues to rotate essentially solely through inertia. In this time window, for example, the drop in engine speed (for example the start of the time window vs. the end of the time window) is then identified. This drop in speed results from the friction losses of the mechanics and the piston braking due to the gas compression.
Wenn in diesem Zeitfenster genau derjenige Zylinder diagnostiziert wird, welcher sich gerade in seinem Kompressionstakt oder einem Arbeitstakt befindet, kann dessen Einfluss auf den Drehzahlverlauf am besten untersucht werden: denn in der Kompressionsphase und in der Arbeitsphase vor Ende des Brennverzugs hat ein Zylinder den größten Einfluss auf den Verlauf der Drehzahl, da er durch die Gasfederdynamik die Mechanik am stärksten beeinflusst; deutlich stärker, als die anderen Takte bzw. Zylinder.If exactly that cylinder is diagnosed in this time window that is currently in its compression stroke or a power stroke, its influence on the speed curve can best be examined: because a cylinder has the greatest influence in the compression phase and in the work phase before the end of the combustion delay on the course of the speed, as it has the greatest influence on the mechanics through the gas spring dynamics; significantly stronger than the other strokes or cylinders.
Ergänzend können aber auch weitere drehmomentenfreie Phasen genutzt werden, um den Zylinder auch außerhalb des Kompressionstakts oder des Arbeitstakts zu analysieren.In addition, however, other torque-free phases can also be used to analyze the cylinder outside of the compression stroke or the power stroke.
Der Ansatz, während des - im Wesentlichen - drehmomentfreien Diagnose-Zeitfensters die Drehmomententwicklung zu ermitteln, ermöglicht es mit verschiedenen, gegebenenfalls kombinierbaren, Ladungswechselkenngrößen, ausgehend von dieser Drehmomententwicklung einen Vergleich mit zuvor ermittelten - gegebenenfalls in einem Betriebsmodell hinterlegten - fehlertypischen Ausprägungen der jeweiligen Ladungswechselkenngrößen durchzuführen.The approach of determining the torque development during the - essentially - torque-free diagnosis time window, makes it possible to carry out a comparison with previously determined error-typical characteristics of the respective gas exchange parameters - possibly stored in an operating model - with various gas exchange parameters that can be combined if necessary .
Mit der Drehzahlerfassung wird insbesondere vorhandene Sensorik (zur Drehzahlerfassung) mit erweiterten Funktionen genutzt. Die Fähigkeiten der vorhandenen Drehzahlerfassung am Motor, insbesondere an der Kurbelwelle, wurden bisher nicht genutzt, um eine Aussage über einen Brennverzugskennwert im Zylinder abzuleiten.In particular, existing sensors (for speed detection) with extended functions are used with the speed detection. The capabilities of the existing speed measurement on the engine, especially on the crankshaft, have not been used to date to derive a statement about a combustion delay parameter in the cylinder.
Mit der Erfindung ergibt sich eine deutlich leichtere Ursachenfindung für Laufunruhe-Probleme inkl. Verbrennungsaussetzer, insbesondere durch eine Identifikation einer ggf. vorhandenen, unerwünschten Brennverzugsdauer.With the invention, it is much easier to find the cause of rough-running problems, including combustion misfires, in particular by identifying any undesirable combustion delay time that may be present.
Eine gemäß einer Ausführung durchzuführende Online-Datenerfassung der Diagnose-Ergebnisse im Fahrbetrieb erlaubt der Werkstatt den Zugriff auf reale Fahrsituationen und damit insbesondere eine gerichtetere Abarbeitung von Service-Umfängen und/oder eine schnellere Durchführung von Wartungen. In letzter Konsequenz bedingt dies geringere Gewährleistungskosten, eine höhere Kundenzufriedenheit und/oder weniger Wiederholreparaturen.According to one embodiment, online data acquisition of the diagnostic results while driving allows the workshop access to real driving situations and thus in particular a more targeted processing of service scopes and/or faster maintenance. Ultimately, this results in lower warranty costs, higher customer satisfaction and/or fewer repeat repairs.
Um die bezogen auf die mittlere Drehzahl der Kurbelwelle kleinen Abweichungen durch Drehungleichförmigkeiten des Verbrennungsmotors ausreichend genau erfassen zu können, wird gemäß einer Ausführung die Drehzahlentwicklung mit einer echtzeitfähigen Samplingqualität ermittelt. Insbesondere ist vorliegend die Rede von einer echtzeitfähigen Samplingqualität, wenn die Größe - hier die Drehzahl - mit einer Samplingzeit von ca. 1ms oder kleiner, insbesondere laufend und/oder pausenlos, ermittelt wird.In order to be able to detect the small deviations related to the average speed of the crankshaft due to rotational irregularities of the internal combustion engine with sufficient accuracy, according to one embodiment, the development of the speed is determined with a real-time sampling quality. In particular, in the present case we are talking about a real-time capable sampling quality if the variable—in this case the speed—is determined with a sampling time of approximately 1 ms or less, in particular continuously and/or without a break.
Um eine möglichst recheneffiziente Durchführung des Verfahrens zu unterstützen, wird gemäß einer Ausführung zur Ermittlung der Drehzahlentwicklung eine Drehzahldifferenz aus einem Drehzahlwert zu Beginn des Diagnose-Zeitfensters und einem Drehzahlwert zu Ende des Diagnose-Zeitfensters berechnet.In order to support the most computationally efficient implementation of the method, according to one embodiment for determining the speed development, a speed difference is calculated from a speed value at the beginning of the diagnosis time window and a speed value at the end of the diagnosis time window.
Insbesondere wird dann als Ladungswechselkenngröße eine auf Basis der, insbesondere im Kompressionstakt und/oder im Arbeitstakt, ermittelten Drehzahldifferenz berechnete Druckkennzahl verwendet.In particular, a pressure index calculated on the basis of the rotational speed difference determined, in particular in the compression stroke and/or in the power stroke, is then used as the gas exchange parameter.
Dazu ist es gemäß einer Ausführung ausreichend, eine Bilanzierung des Drehzahleinbruchs mit Hilfe mechanischer Gleichungen durchzuführen.For this purpose, according to one embodiment, it is sufficient to balance the drop in rotational speed with the aid of mechanical equations.
Diese Ausführung eines analytischen Verfahren über ein Formelwerk im Zeitbereich kann insbesondere ab mittlerer Motorlast und bis zu mittleren Drehzahlen, insbesondere bei glatten und stetigen Drehzahlverläufen, gut verwendet werden. Eine beispielhafte Anwendung ist im ersten Ausführungsbeispiel der Figurenbeschreibung dargestellt.This implementation of an analytical method using a set of formulas in the time domain can be used particularly well from a medium engine load and up to medium engine speeds, especially in the case of smooth and constant engine speed curves. An exemplary application is shown in the first exemplary embodiment of the description of the figures.
Um die verschiedenen vorgestellten Ausführungen eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit geeigneter Hardware durchführen zu können, ist gemäß einer Ausführung die Einrichtung dazu eingerichtet, Verfahren nach beliebigen Ausführungen der Erfindung durchzuführen.In order to be able to carry out the various presented embodiments of a method according to the invention with suitable hardware, according to one embodiment the device is set up to carry out methods according to any embodiments of the invention.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren. Es zeigen,
-
1a-c in schematischen Ansichten einen Verbrennungsmotor mit einer Einrichtung nach einer beispielhaften Ausführung der Erfindung, wobei in1a die Einbauumgebung des Verbrennungsmotors, in1b relevante Parameter sowie in1c Drehmomentbeiträge an dem Kurbeltrieb des Verbrennungsmotors über die Zeit dargestellt sind; -
2 ein Schaubild mit einem Diagramm einer Drehzahlentwicklung eines Arbeitszyklus des Verbrennungsmotors nach1 und einer Darstellung der Takte der einzelnen Zylinder; -
3 ein vergrößertes Detail ausdem Diagramm nach 2 ; -
4 ein Schaubild zur Verdeutlichung der linearen Interpolation einer inneren Energie im Zylinder in Abhängigkeit von der Temperatur im Diagnose-Zeitfenster; -
5 ein Kennfeld einer Zylindertemperatur in dem zu diagnostizierenden Zylinder in Abhängigkeit von der Motorlast und der Motordrehzahl; -
6 ein Flussdiagramm verschiedener Möglichkeiten zur Nutzung der Information zu dem ermittelten Brennverzugskennwert; -
7 ein Schaubild zur Verdeutlichung der linearen Interpolation einer Kurbelwellenstellung zum Brennbeginn im Zylinder in Abhängigkeit von einer Ergebnisdifferenz der beiden Seiten einer Berechnungsgleichung für die Kurbelwellenstellung zum Brennbeginn; und -
8 ein Flussdiagramm zur groben Darstellung von Verfahrensschritten eines beispielhaften Verfahrens.
-
1a-c in schematic views an internal combustion engine with a device according to an exemplary embodiment of the invention, wherein in1a the installation environment of the internal combustion engine, in1b relevant parameters as well as in1c Torque contributions to the crank mechanism of the internal combustion engine are shown over time; -
2 a diagram with a diagram of a speed development of a working cycle of theinternal combustion engine 1 and a representation of the strokes of the individual cylinders; -
3 an enlarged detail from the diagram2 ; -
4 a diagram to illustrate the linear interpolation of an internal energy in the cylinder as a function of the temperature in the diagnosis time window; -
5 a map of a cylinder temperature in the cylinder to be diagnosed as a function of engine load and engine speed; -
6 a flowchart of various options for using the information on the determined combustion delay characteristic; -
7 a diagram to illustrate the linear interpolation of a crankshaft position at the start of combustion in the cylinder as a function of a result difference between the two sides of a calculation equation for the crankshaft position at the start of combustion; and -
8th a flowchart for the rough representation of method steps of an exemplary method.
In
In der Darstellung der
In
Der
Der Referenzdruck p kann mittels der Druck-Erfassungseinheit 7, die momentane Drehzahl n mittels der Drehzahl-Erfassungseinheit 6 und der Recheneinheit 4 durch die Einrichtung 2 verwendet werden.The reference pressure p can be used by the
In
Wie in
Die
- Es wird ein Diagnose-
Zeitfenster 112 innerhalb eines Drehmomentlochs 12 eines der Takte desVerbrennungsmotors 1 während eines Fahrbetriebs des Kraftfahrzeugs bestimmt. Darauf aufbauend wird ein Zylinder Z1 identifiziert, welcher sich zu Beginn des Diagnose-Zeitfensters 112 in einem Kompressionstakt befindet, innerhalb welchem im Ausführungsbeispiel der Zündzeitpunkt ZZP1 liegt.
- A
diagnostic time window 112 is determined within a torque gap 12 of one of the cycles ofinternal combustion engine 1 while the motor vehicle is being driven. Based on this, a cylinder Z1 is identified which is in a compression cycle at the beginning of thediagnosis time window 112, within which the ignition point ZZP1 lies in the exemplary embodiment.
Für diesen Zylinder Z1 wird eine Energiebilanz aufgestellt. Dabei können die Wandwärmeverluste dQw und die Enthalpieverluste Σ hm · mm näherungsweise gleich Null gesetzt. Wegen des kleinen betrachteten Kurbelwinkelbereichs kann der innere Energiegehalt dU linear interpoliert werden. Die betrachtete Wärmearbeit dQc kann auf die Definition des Brennbeginns bei 5% Verbrennungsumsatz bezogen werden. Der untere Heizwert Hu kann ausreichend genau als konstant und ggf. auch als identisch für Diesel- bzw. Ottokraftstoff angesehen bzw. fachmännisch entsprechend bestimmt werden. Weil zwischen Zündung ZZP1 bzw. P1 und Brennbeginn P2 definitionsgemäß noch keine wesentliche Wärmefreisetzung stattfindet, kann für die Brennverzugsberechnung eine polytrope Temperaturänderung angenommen werden. Die benötigten Druckdaten p können aus einem hochauflösenden Drehzahlsignal n ermittelt werden. Der Kurbelwellenwinkel φ1 zum Zündzeitpunkt ZZP1 ist bekannt. Der Kurbelwellenwinkel φ2 zum Brennbeginn kann dann mittels einer direkten Iterationsmethode 210 und/oder mittels einer Interpolationsmethode 212 ermittelt werden. Damit kann die Berechnung des Brennverzugskennwerts BV mit typischerweise in Kraftfahrzeugen zur Verfügung stehenden Größen in einfacher Weise ermittelt werden.An energy balance is drawn up for this cylinder Z1. The wall heat losses dQw and the enthalpy losses Σ h m · m m can be approximately set to zero. Due to the small crank angle range considered, the internal energy content dU can be interpolated linearly. The considered thermal work dQc can be related to the definition of the start of combustion at 5% combustion conversion. The lower calorific value Hu can be viewed with sufficient accuracy as constant and possibly also as identical for diesel or Otto fuel or can be determined accordingly by a specialist. Because, by definition, no significant heat release takes place between ignition ZZP1 or P1 and the start of combustion P2, a polytropic temperature change can be assumed for the combustion delay calculation. The required pressure data p can be determined from a high-resolution speed signal n. The crankshaft angle φ 1 at the ignition point ZZP1 is known. The crankshaft angle φ 2 at the start of combustion can then be determined using a
Im Ausführungsbeispiel liegt ein Fahrbetrieb des Fahrzeugs vor, insbesondere aber nicht zwingend ein Stationärbetrieb des Verbrennungsmotors 1. Eine Livefunktion der Motorsteuerung 2 liest im Fahrbetrieb kontinuierlich Drehzahlwerte n für die Kurbelwelle KT aus (aufgrund von Reibungsverzögerung ist in einer Kompressionsphase eines Zylinders ein vermehrter Drehzahlabfall von einem zu einem nachfolgenden Zeitpunkt zu erwarten) und bestimmt daraus eine Drehzahlentwicklung - vgl.
Der Brennverzugskennwert BV wird im Zylinder Z1 während des Diagnose-Zeitfensters 112 in Abhängigkeit von der ermittelten Drehzahlentwicklung 101 und von einer Temperatur T im identifizierten Zylinder Z1 zu einem Diagnosezeitpunkt P2 im Diagnose-Zeitfenster 112 bestimmt. Die Drehzahlentwicklung 101 wird mit einer echtzeitfähigen Samplingqualität während des Betriebs des Verbrennungsmotors 1 ermittelt.The combustion delay characteristic value BV is determined in the cylinder Z1 during the
Die ermittelte Ausprägung des Brennverzugskennwerts BV und ggf. auch andere, in schneller Folge früher oder später ermittelte Ausprägungen dieses oder anderer Zylinder Z werden in einem nicht-flüchtigen Speicher der Motorsteuerung 2 im Steuergerät 200 hinterlegt und für weitere Diagnoseschritte und/oder Regelungs- bzw. Steuerungsaufgaben, ggf. in Echtzeit, zugänglich gemacht.The determined characteristic of the combustion delay characteristic value BV and possibly also other characteristics of this or other cylinders Z determined sooner or later in rapid succession are stored in a non-volatile memory of
Nachfolgend ist die Ermittlung des Brennverzugskennwerts mit detaillierten Schritten beispielhaft für den Zylinder Z1 dargestellt.The determination of the combustion delay parameter is shown below with detailed steps for cylinder Z1 as an example.
Zunächst wird ein Diagnose-Zeitfenster 112 für einen, mehrere oder alle Zylinder bestimmt.First, a
Es gibt im Viertakt-Verfahren eines Verbrennungsmotors Bereiche in der Grad-Kurbelwinkel-Skala (Abszissenachse des Drehmomentverlauf 10), in welchen keine deutliche Drehmomentenwandlung erfolgt (insbesondere unterhalb des Grenzwertes 14). In diesen Zeitspannen wird die Kurbelwelle durch die anliegenden Reibungs- und Lastwiderstände verzögert. Die entscheidenden verzögernden Widerstände sind u.a. die entsprechende Lastanforderung, die Reibung der Mechanik und vor allem auch die Kompression der Gasfüllung des nächstzündenden Zylinders.In the four-stroke process of an internal combustion engine, there are areas on the degree-crank angle scale (abscissa axis of torque curve 10) in which there is no significant torque conversion (in particular below limit value 14). In these periods of time, the crankshaft is decelerated by the applied friction and load resistance. The decisive decelerating resistances are, among other things, the corresponding load requirement, the friction of the mechanics and, above all, the compression of the gas filling of the next igniting cylinder.
Durch eine stationäre Bilanzierung der verzögernden Widerstände mittels Drehzahlmessung der Kurbelwelle KT im richtigen Zeitfenster 12, wird ein Rückschluss auf die Zylinderfüllung möglich, um im Fehlerfall eine bessere Differenzierung der Ursachen zu erlauben.By stationary balancing of the decelerating resistances by measuring the rotational speed of the crankshaft KT in the correct time window 12, it is possible to draw conclusions about the cylinder filling in order to allow better differentiation of the causes in the event of a fault.
Dann wird derjenige Zylinder Z1, welcher sich zu Beginn des Diagnose-Zeitfensters112 in einem Kompressionstakt befindet, identifiziert.The cylinder Z1 which is in a compression stroke at the beginning of the
In
Das Ablaufdiagramm 100 zeigt den Verlauf 101 der Motordrehzahl n über ein Arbeitsspiel (ASP) eines 4-Zylinder-Ottomotors. Markiert sind die Zündzeitpunkte (ZZP) sowie ein beispielhaft mögliches Diagnose-Zeitfenster 112 für den zu diagnostizieren Zylinder Z1 in der Kompression. Darunter sind die zugehörigen Arbeitstakte der physikalischen Zylinder Z1-Z4 abgebildet.
Dieses Beispiel eines Vierzylinders zeigt auf, welcher Bereich 112 der Kurbelwinkelskala für die Ladungswechseldiagnose genutzt werden kann. Das Diagnose-Zeitfenster 112 liegt für den zu diagnostizierenden Zylinder Z1 in der endenden Kompression, direkt vor der Zündung des Gemischs; für den Zylinder Z3 am Ende des Einlasstakts; für den Zylinder Z4 am Ende des Auslasstakts; und für den Zylinder Z2 am Ende des Arbeitstakts, wobei in keinem der Zylinder Z eine relevante Drehmomentfreisetzung erfolgt (vgl. Grenzwert 14 in
Das Diagnose-Zeitfenster 112 muss insbesondere so gewählt werden, dass der letzte Arbeit leistende Zylinder keine wesentliche Beschleunigung der Kurbelwelle mehr erzielt und der nächste Arbeit leistende Zylinder noch nicht durchgezündet hat.The
Im Ausführungsbeispiel sind Grundvoraussetzungen für die Festlegung des Diagnose-Zeitfensters 112: 1) keine dominierende Wärmefreisetzung (differentieller Drehmomentenaufbau verschwindet, da vor Zündung in der Kompression bzw. nach Druckpulk im Arbeitszyklus); und/oder 2) Auslassventil offen (ansonsten müsste die Kolbenbremse eingerechnet werden); und/oder 3) Einlassventil offen & entdrosselt (VVT), ansonsten muss die Kolbenbremse mit eingerechnet werden durch Drosselung und Gasfeder.In the exemplary embodiment, the basic requirements for defining the
Beispielhaft ist in der Ausführung gemäß
Im Ausführungsbeispiel wird daher das Diagnose-Zeitfenster 112 festgelegt zu: 690°KW - 710°KW, bezogen auf eine Kurbelwinkelangabe des Zylinders Z1. In der Darstellung der
Ein Diagnosezeitpunkt 113 innerhalb des Diagnose-Zeitfensters 112 wird bestimmt zu 690°KW. Für diesen Zeitpunkt wird beispielsweise die Zylindertemperatur ermittelt. Für die Ermittlung des diagnostischen Zylinderdrucks pzyl,diag aus der Drehzahlentwicklung wird hingegen ein Zeitfenster wie das Diagnose-Zeitfenster 112 benötigt, weil die Ermittlung auf einer Differenzbetrachtung fußt.A diagnosis point in
Die Ermittlung des Brennverzugskennwerts BV im Zylinder Z1 erfolgt grundlegend über eine Energiebilanzrechnung, die im Zylinder, zumindest näherungsweise, Anwendung finden kann:
- Grundgleichung ist die Energiebilanz im Zylinder eines Verbrennungsmotors:
- The basic equation is the energy balance in the cylinder of an internal combustion engine:
Hierzu verfolgen mehrere Abnahme erfolgen mehrere Annahmen.To do this, track multiple acceptance, multiple assumptions are made.
Annahme 1: in dem relativ kurzen °KW Auswertebereich des Drehzahlsignals n findet keine wesentliche Wärmeübertragung an die Wand statt:
Annahme 2: Der °KW Auswertebereich des Drehzahlsignals n beinhaltet keine Massenströme über die Ventile an Einlass/ Auslass und auch keine wesentlichen Blowby Enthalpieverluste:
Mit der Einführung dieser ersten beiden Annahmen in Gleichung (1) ergibt sich:
Annahme 3: Innerhalb des grdKW-Auswertebereichs ändert sich die Temperatur (und damit die innere Energie U) des Gasgemischs so wenig, dass U(T) linear interpoliert werden kann (vgl. dazu die Darstellung der
Zudem erfolgt eine Definition des Brennbeginns φ2 im Zylinder Z1: Der Brennbeginn φ2 wird festgelegt zu der Kurbelwinkelstellung (°KW) nach dem Zündung ZZP, an welchem 5% der im Brennraum befindlichen Kraftstoffmasse umgesetzt wurden (ab dort kann erstmals ein deutliches Abheben des Zylinderdrucks vom bloßen Kompressionsverlauf beobachtet werden):
Annahme 4: der spezifische untere Heizwert HU aus Gleichung (4) ist durch den verwendeten Kraftstoff definiert und für die Zwecke der Erfindung als ausreichend konstant zu betrachten (Annahme für Benzin und Diesel ist jeweils 42-45MJ/kg).Assumption 4: the specific lower calorific value H U from equation (4) is defined by the fuel used and is to be regarded as sufficiently constant for the purposes of the invention (assumption for gasoline and diesel is 42-45MJ/kg each).
Annahme 5: Der Term -pdV in der Gleichung (1) lässt sich interpretieren mittels der Volumendifferenz dV zwischen zwei °KW-Stellungen und dem gemitteltem Druck p̅ zwischen diesen beiden Winkelstellungen:
Eingesetzt in die Gleichung (2) ergibt sich nun:
Annahme 6: Innerhalb des °KW Auswertebereichs findet noch keine wesentliche Wärmefreisetzung statt; dies ist immanent im Brennverzugsfenster der Fall. Dementsprechend wird thermodynamisch gesehen eine polytrope Temperaturänderung angenommen:
Zusammen mit der Anwendung von Annahme 6 und Annahme 3 in der Gleichung (6) ergibt sich eine Iterationsvorschrift für die Berechnung des Brennverzugs mit Hilfe des diagnostischen Zylinderdrucks p̅ = pzyl,diag:
Die Brennbeginn-Kurbelwinkelstellung φ2 ist hierbei der Iterationsparameter.The start of combustion crank angle position φ 2 is the iteration parameter here.
Annahme 7: Die Temperatur zum Zündzeitpunkt (ZZP1) kann entweder als konstant geschätzt werden (z.B. T690 = 600K) oder einem vorberechnetem Kennfeld entnommen werden. Solche Kennfelder können mit Hilfe von Ladungswechselrechnungen während der Entwicklungszeit abseits des Steuergeräts 2 erstellt und danach im Steuergerät 2 für Live-Berechnungen zur Verfügung gestellt werden.Assumption 7: The temperature at the point of ignition (ZZP1) can either be estimated as constant (e.g. T690 = 600K) or taken from a pre-calculated map. Such maps can be created with the help of gas exchange calculations during the development time away from
Ein beispielhaftes Kennfeld für 690°KW ist in Form einer Estimation an einem Vierzylindermotor in
Zur Berechnung der Teilterme von Gleichung (8) werden im Ausführungsbeispiel folgende Festlegungen getroffen:
In der Iterationsvorschrift von Gleichung (8) sind nun alle Werte für die Ermittlung der Brennbeginn-Kurbelwellenwinkelstellung bekannt, außer einem mittleren Zylinderdruckwert pzyl,diag = f([P1; P2]) = pzyl,diag,690-710.In the iteration specification of equation (8), all values for determining the crankshaft angle position at the start of combustion are now known, except for a mean cylinder pressure value p cyl,diag = f([P1; P2]) = p cyl,diag,690-710 .
noch, um aus dem hochaufgelösten Drehzahlsignal 101 des Verbrennungsmotors 1 den Restgasge-halt x im Betrieb zu schätzen.nor in order to estimate the residual gas content x during operation from the high-
Wie im Ausführungsbeispiel der diagnostische Zylinderdruck pzyl,diag,690-710 ermittelt wird, ist der nachfolgenden Beschreibung zu den Gleichungen (9) bis (24) zu entnehmen, wobei φ1 dem Kurbelwinkel KW=690° von P1 und φ2 dem ungefähren Kurbelwinkel KW=710° von P2 entspricht, und p̅zyl,diag = pzyl,diag,690-710 gilt.How the diagnostic cylinder pressure p zyl,diag,690-710 is determined in the exemplary embodiment can be found in the following description of equations (9) to (24), where φ 1 is the crank angle KW=690° of P1 and φ 2 is the approximate corresponds to crank angle KW=710° of P2, and p̅ zyl,diag = p zyl,diag,690-710 applies.
Die Ermittlung basiert auf einer Druckbilanzierung des diagnostizierten Zylinders auf Basis des gemessenen Drehzahlverlaufs:
Durch Differentiation, Substitution und Einführung eines Massenmoments (Aufteilung der Trägheitsanteile) ergibt sich die Gleichung:
Teilt man die Gleichung sinnvoll auf in einen „Gleichanteil“ und einen „Wechselanteil“ so erhält man folgende Subgleichungen:
- „Gleichanteil“:
- "Constant proportion":
Die Bilanzierung des Gleichanteils geht von einem stationären Betriebspunkt aus. Das mittlere bereitgestellte Moment hält die mittlere Drehzahl konstant, weil es korrespondiert mit den Momentenanforderungen aus Last und Reibung.
- „Wechselanteil“:
- “Change share”:
Eine Umwandlung von zeitbasierter Ableitung zur kurbelwinkelbasierter Differenzenbildung erfolgt mit Hilfe des Zusammenhangs
Die entscheidenden Größen aus Gleichung (9) werden für die Auswertung weiter detailliert. Der Zusammenhang für das resultierende Moment aus der innerzylindrischen Gaskraft und der ergibt sich zu:
Eine weitere Detaillierung der variablen Faktoren aus Gleichung (11) ergibt:
Unter der Annahme einer konstanten mittleren Drehzahl nmot vereinfacht sich der Zusammenhang für die Kolbenbeschleunigung zu:
Die Annahme führt zu einem Fehler, der vernachlässigt werden kann. Der Einfluss der Winkelbeschleunigung hat über das gesamte Kennfeld eine vernachlässigbar kleine Abweichung zur Folge.
Schubstangenverhältnis
Bezug zum Umgebungsdruck
Bezug zum Kurbelgehäusedruck
relation to
Das Reibmoment aus Gleichung (9) kann verschiedenartig dargestellt werden. Es kann entweder ein Modell eingeführt werden, welches Messdaten für einen bestimmten Betriebspunkt der Diagnose widerspiegelt. Ein zielführender Ansatz hierbei wäre eine funktionale Verknüpfung des Terms mit der Drehzahl, der Last und der Öltemperatur.The friction torque from Equation (9) can be represented in different ways. Either a model can be introduced which reflects measurement data for a specific operating point of the diagnosis. A goal-oriented approach here would be a functional linking of the term with the speed, the load and the oil temperature.
Im Folgenden wird allerdings davon ausgegangen, dass die Diagnose in fest definierten Stationärlastpunkten durchgeführt wird. Dadurch lässt sich das Reibmoment für diesen Lastpunkt als unveränderlich annehmen.
Der gleiche Ansatz wird ebenfalls für das anteilige Moment durch rotatorische Massenträgheit und das Massenträgheitsmoment genutzt.
Eine geeignete Wahl von Diagnosekonstanten im stationären Betriebspunkt erlaubt eine einfache Applikation der Parameter im Nachhinein.A suitable choice of diagnosis constants in the stationary operating point allows a simple application of the parameters afterwards.
Die Auflösung von Gleichung (9) nach dem Gasmoment ergibt:
Nach Einsetzen der Zusammenhänge aus Gleichungen (17) bis (19) kann man auf folgende Vereinfachung mit der Applikationskonstante KRM schlussfolgern:
Applikation der Diagnose:Application of the diagnosis:
In
Der Gradient der Winkelgeschwindigkeit aus Gleichung (14) wird erweitert. Die zu ermittelnde Drehzahl muss dabei gemittelt werden und Konstanten werden wieder gekennzeichnet.
Der Term für das Tangentialmoment aus Gleichung (11) wird nachfolgend erweitert um die Zusammenhänge aus den Gleichungen (12) bis (16) und Konstanten werden gekennzeichnet.
Nach Einsetzen von Gleichung (22) und (21) in Gleichung (20), Auflösung nach den Zylinderdrücken und Zusammenfassung aller Konstanten ergibt sich:
Alle Druckgrößen und Drehzahlen in der Gleichung (23) sind messbar zu den Zeitpunkten P1 und P2. Es kann auf Daten eines geeigneten Betriebsmodells, beispielsweise der Motorsteuerung, zurückgegriffen werden. Die Kinematikkonstante KK kann tabelliert und in Abhängigkeit von der Kolbenstellung eingesetzt werden.All pressure variables and speeds in equation (23) can be measured at points in time P1 and P2. Data from a suitable operating model, for example the motor controller, can be accessed. The kinematic constant K K can be tabulated and used depending on the piston position.
Der Einfluss der Drehzahl nmot bezüglich der oszillatorischen Massen kann beispielsweise echtzeitfähig berechnet oder in Form einer Lookup-Tabelle eines geeignet hinterlegten Betriebsmodells bezüglich Drehzahl und Last auf dem Steuergerät abgelegt werden.The influence of the speed nmot with regard to the oscillatory masses can, for example, be calculated in real time or stored on the control unit in the form of a lookup table of a suitably stored operating model with regard to speed and load.
Die reduzierte Kolbenbeschleunigung, insbesondere gemäß Gleichung (12), lässt sich für die beiden diskreten Punkte formulieren:
Die Konstanten K1 und K2 können anhand von Referenzmessungen (Motorfunktion bzw. Ladungswechsel „OK“) bestimmt werden.The constants K 1 and K 2 can be determined using reference measurements (engine function or gas exchange "OK").
Nach Bestimmung der Applikationskonstanten K1 und K2 lässt sich die Gleichung (23) benutzen, um den diagnostischen Zylinderdruck aus der Drehzahländerung in der Kompression zu bestimmen:
Der diagnostische Zylinderdruck p̅zyl,diag ist ein Indiz für den Druckverlauf während des Kompressionstakts und ggf. daran anschließenden Kurbelwinkel-Bereichen im Arbeitstakt des Zylinders und kann im weiteren zur Ermittlung des Brennverzugs BV verwendet werden.The diagnostic cylinder pressure p̅ zyl,diag is an indication of the pressure profile during the compression stroke and possibly the subsequent crank angle ranges in the power stroke of the cylinder and can subsequently be used to determine the combustion delay BV.
Auf diese Weise kann im Fahrbetrieb für das Diagnose-Zeitfenster 112 des diagnostizierten Zylinders Z1 der diagnostischen Zylinderdruck p̅zyl,diag = pzyl,diag,690-710 zum Zeitintervall t12 = t[P1;P2] ermittelt werden.In this way, the diagnostic cylinder pressure p - cyl,diag =p cyl,diag,690-710 at the time interval t12=t[P1;P2] can be determined while driving for the
Indem der ermittelte diagnostische Zylinderdruck p̅zyl,diag in Gleichung (8) eingesetzt wird, ist die Iterationsvorschrift vollständig.By using the determined diagnostic cylinder pressure p - cyl,diag in equation (8), the iteration rule is complete.
Damit die Gleichung (8) erfüllt werden kann, müssen die linke und die rechte Seite iterativ in Einklang gebracht werden. Dazu gibt es zwei Verfahren, wobei jeweils die Brennbeginn-Kurbelwinkelstellung φ2 als Iterationsparameter dient:
- a) Iterativ direkt: Es wird ein Startwert für den Parameter φ2 = φ1 + x0 in Abhängigkeit von dem Zündzeitpunkt ZZP1 gewählt. In den folgenden Iterationsschritten wird der Wert des Parameters φ2 auf beiden Seiten der Gleichung solange verstellt, bis die Differenz der Gleichungsseiten ein gewisses Abweichungskriterium unterschreitet. Dann wird die Iteration abgebrochen und φ2 gilt somit als iterativ bestimmt. Vorteil: Genauigkeitsgewinne bei der Bestimmung. Nachteile: Ressourcenintensive Rechnung, nicht für Echtzeitanwendung. Anwendungsbeispiel: abseits des Fahrzeugs wird eine Messreihe anhand des Drehzahlsignals aufbereitet und der Brennverzug „offboard“ ausgewertet.
- b) Interpolierend: Es werden zwei Startwerte für den Parameter φ2a = φ1 + xmin (nah am Zündzeitpunkt, z.B. xmin = 2°KW) und φ2b = φ1 + xmax (entfernt vom Zündzeitpunkt ZZP1, z.B. xmax = 20°KW) gewählt. Für beide Startwerte werden die Seiten der Gleichung (8) berechnet und ihre Restdifferenz Δ(φ2) ausgewertet. Es wird im Folgenden davon ausgegangen, dass in diesem gewählten Auswertefenster eine lineare Interpolation der Δ-Fkt. ohne größere Genauigkeitsverluste geschehen kann. φ2 gilt somit als interpoliert bestimmt. Diese Ermittlungsmethode ist in
7 anhand eines Diagramms dargestellt.
- a) Directly iterative: A starting value for the parameter φ 2 =φ 1 +x 0 is selected as a function of the ignition point ZZP1. In the following iteration steps, the value of the parameter φ 2 on both sides of the equation is adjusted until the difference between the sides of the equation falls below a certain deviation criterion. The iteration is then aborted and φ 2 is thus considered to be determined iteratively. Advantage: Accuracy gains in determination. Disadvantages: Resource-intensive calculation, not for real-time use. Application example: away from the vehicle, a series of measurements is processed using the speed signal and the combustion delay is evaluated "offboard".
- b) Interpolating: Two starting values for the parameter φ 2a = φ 1 + x min (close to the ignition point, e.g. x min = 2°KW) and φ 2b = φ 1 + x max (distant from the ignition point ZZP1, e.g. x max = 20°KW) selected. The sides of equation (8) are calculated for both starting values and their remainder difference Δ(φ 2 ) is evaluated. In the following it is assumed that in this selected evaluation window a linear interpolation of the Δ-Fct. can be done without major loss of accuracy. φ 2 is thus determined as interpolated. This determination method is in
7 represented by a diagram.
Vorteile: Rechenzeitgewinn; weniger Iterationsschritte notwendig. Nachteile: Genauigkeitsverlust aufgrund weiterer Linearisierung. Anwendungsbeispiel: Berechnung des Brennverzugs „onboard“ auf dem Fahrzeug (Diagnose).Advantages: Gain in computing time; fewer iteration steps necessary. Disadvantages: Loss of accuracy due to further linearization. Application example: Calculation of the combustion delay "onboard" on the vehicle (diagnosis).
Das Ziel des geschilderten Verfahrens aus Gleichung (8) besteht - unabhängig von der gewählten Iterationsmethode 210 bzw. Interpolationsmethode 212 - in der Ermittlung von φ2. Der Brennverzug ergibt sich dann mit:
Die ermittelte Ausprägung des Brennverzugskennwerts BV kann einer diagnostischen Verwendung zugeführt werden:
- Der errechnete Brennverzug BV wird dazu beispielsweise mit einem betriebspunktspezifischen Referenzwert verglichen, um anhand von Brennverzugsabweichungen eine Brennverzugsdiagnose durchzuführen. Insbesondere bei verlängerten Brennverzügen (Ist-BV > Referenz-BV), kann die Diagnose auf folgende Probleme für die weiterführende manuelle Fehlersuche verweisen:
- For this purpose, the calculated combustion delay BV is compared, for example, with an operating-point-specific reference value in order to carry out a combustion delay diagnosis on the basis of combustion delay deviations. In the case of prolonged combustion delays in particular (actual BV > reference BV), the diagnosis can refer to the following problems for further manual troubleshooting:
Die ermittelte Ausprägung des Brennverzugskennwerts BV kann zusätzlich oder alternativ auch einer regelungstechnischen Verwendung zugeführt werden:
- Denn der Brennverzug BV kann als Indiz für die Verschiebung der effizienzrelevanten Schwerpunktlage (Kurbelwellenstellung (°KW) bei 50% Kraftstoffmassenumsatz) gesehen werden.
- Because the combustion delay BV can be seen as an indication of the shift in the efficiency-relevant center of gravity (crankshaft position (°KW) at 50% fuel mass conversion).
Somit können bei einer verlängerten Brennverzugszeit BV auch kompensatorische Regelmaßnahmen den Motorbetrieb wieder hin zu einer effizienteren Verbrennung (kurze Brennverzüge, geregelte Schwerpunktlage) führen. Dabei können insbesondere turbulenzsteuernde Maßnahmen (Ventiltrieb) und eine angepasste Gemischverteilung (Einspritzsystem) den Regulärbetrieb wieder ermöglichen.Thus, with a longer combustion delay time BV, compensatory control measures can lead engine operation back to more efficient combustion (short combustion delays, controlled center of gravity). In particular, turbulence-controlling measures (valve train) and an adapted mixture distribution (injection system) can enable regular operation again.
In
Zunächst erfolgt die Befüllung der in Gleichung (8) angegebenen Iterationsvorschrift für die Kurbelwinkelstellung φ2 zum Brennbeginn unter anderem aus zeitlich hochaufgelösten Messwerten für die Drehzahl n, einem Kennwert für eine Kurbelwinkelstellung φ1 zum Zündzeitpunkt ZZP1=P1, Kennwerten für das Zylindervolumen V und Kennwerten für die Temperatur TP1 zum Diagnosezeitpunkt P1, sowie Kennwerten für den spezifischen unteren Heizwert Hu , die innere Energie U(Px) und die aktuell im Zylinder vorhandene Kraftstoffmasse mF.First, the iteration specification given in Equation (8) for the crank angle position φ 2 at the start of combustion is filled from, among other things, measured values for the speed n with high temporal resolution, a characteristic value for a crank angle position φ 1 at the ignition point ZZP1=P1, characteristic values for the cylinder volume V and characteristic values for the temperature T P1 at the time of diagnosis P1, as well as characteristic values for the specific lower calorific value Hu , the internal energy U(Px) and the fuel mass m F currently present in the cylinder.
Die Kurbelwinkelstellung φ2 zum Brennbeginn wird dann entweder mittels einer rechenintensiveren, aber genaueren, direkten Iterationsmethode 210 oder mittels einer schnelleren, aber ungenaueren, Interpolationsmethode 212 aus Gleichung 8 ermittelt werden.The crank angle position φ 2 at the start of combustion is then determined from
Aus der Kurbelwinkelstellung φ2 zum Brennbeginn kann die Ausprägung des Brennzverzugskennwerts BV ermittelt, und in einem nicht flüchtigen Speicher 202 der Motorsteuerung 200 hinterlegt werden. Wenn beispielsweise mit einer Samplingzeit von 1ms oder kleiner Brennverzugskennwerte BV ermittelt werden, wird in den Speicher 202 zu jeder Zündung ein neuer Wert BV - insbesondere mit Zeitstempel und/oder Ausgangswerten für die Ermittlung - abgespeichert.The expression of the combustion delay characteristic value BV can be determined from the crank angle position φ 2 at the start of combustion and stored in a
Die abgespeicherten Werte BV können in Echtzeit, d.h. sofort im Fahrbetrieb, beispielsweise einer Online-Diagnosekomponente 204 und/oder einer Motorregelung 206 der Motorsteuerung 2 bereitgestellt werden. Auch können die Werte BV zu einem späteren Zeitpunkt, beispielsweise in der Werkstatt, einem Offboard-Diagnoserechner 208 zur Verfügung gestellt werden.The stored values BV can be made available in real time, i.e. immediately during driving operation, for example to an online
In
- (S10) Erfassen einer Drehzahl n der Kurbelwelle KT.
- (S20) Bestimmen eines Diagnose-
Zeitfensters 112 innerhalb eines Drehmomentlochs 12 eines der Takte desVerbrennungsmotors 1 während eines Fahrbetriebs des Kraftfahrzeugs, - (S30)
Ermitteln einer Drehzahlentwicklung 101 desVerbrennungsmotors 1 daraus während des Diagnose-Zeitfensters 112, insbesondere mit einer echtzeitfähigen Samplingqualität, aus der erfassten Drehzahl n. - (S40) Identifizieren eines Zylinders Z1, welcher sich zu Beginn des Diagnose-Zeitfensters in einem Kompressionstakt oder in einem Arbeitstakt befindet.
- (S50) Ermitteln eines Drucksignals p̅zyl,diag im identifizierten Zylinder Z1 aus der
Drehzahlentwicklung 101. - (S61) Ermitteln eines Brennbeginns φ2 im identifizierten Zylinder Z1 mittels einer
Iterationsmethode 210 in Abhängigkeit von dem ermittelten Drucksignal p̅zyl,diag , oder - (S62) Ermitteln eines Brennbeginns φ2 im identifizierten Zylinder Z1 mittels einer
Interpolationsmethode 212 im identifizierten Zylinder in Abhängigkeit von dem ermittelten Drucksignal p̅zyl,diag . - (S70) Ermitteln der Ausprägung des Brennverzugskennwerts BV in Abhängigkeit von dem ermittelten Brennbeginn φ2 im identifizierten Zylinder Z1.
- (S80) Brennverzugsabweichungen diagnostizieren.
- (S10) detecting a speed n of the crankshaft KT.
- (S20) determining a
diagnosis time window 112 within a torque gap 12 of one of the cycles of theinternal combustion engine 1 while the motor vehicle is being driven, - (S30) determining a
speed development 101 of theinternal combustion engine 1 therefrom during thediagnosis time window 112, in particular with a real-time capable sampling quality, from the detected speed n. - (S40) Identification of a cylinder Z1 which is in a compression stroke or in a power stroke at the beginning of the diagnosis time window.
- (S50) Determination of a pressure signal p̅ zyl,diag in the identified cylinder Z1 from the
speed development 101. - (S61) determining a start of combustion φ 2 in the identified cylinder Z1 using an
iteration method 210 as a function of the determined pressure signal p - zyl,diag , or - (S62) Determining a start of combustion φ 2 in the identified cylinder Z1 using an
interpolation method 212 in the identified cylinder as a function of the determined pressure signal p - cyl,diag . - (S70) Determining the characteristics of the combustion delay characteristic value BV as a function of the determined start of combustion φ 2 in the identified cylinder Z1.
- (S80) Diagnose combustion delay deviations.
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Verbrennungsmotorcombustion engine
- 22
- Motorsteuerungengine control
- 44
- Recheneinheitunit of account
- 66
- Erfassungseinheit für die Drehzahl der KurbelwelleCrankshaft speed acquisition unit
- 77
- Zylinderdruck-ErmittlungseinheitCylinder pressure determination unit
- (8)(8th)
- Iterationsvorschriftiteration rule
- 99
- Ansaugsystemintake system
- 1010
- Drehmomentverlauf des Verbrennungsmotors über einen MotorzyklusTorque curve of the combustion engine over one engine cycle
- 1212
- Drehmomentlöchertorque holes
- 1414
- vorbestimmte Grenze für relevanten Drehmomentbeitragpredetermined limit for relevant torque contribution
- 1616
- Zylindertemperatur-ErmittlungseinheitCylinder temperature determination unit
- 1818
- Lambdasonde lambda probe
- 100100
- Diagramm DrehzahlentwicklungSpeed development diagram
- 101101
- Drehzahlverlaufspeed curve
- 112112
- Diagnose-Zeitfenster diagnostic time window
- 200200
- Motorsteuergerätengine control unit
- 202202
- SpeicherStorage
- 204204
- Diagnosekomponente einer MotorsteuerungDiagnostic component of an engine control
- 206206
- Steuerkomponente einer MotorsteuerungControl component of an engine control
- 208208
- Offboard-DiagnoserechnerOffboard diagnostic calculator
- 210210
- direkte Iterationsmethodedirect iteration method
- 212212
- Interpolationsmethode interpolation method
- (Sxx)(Sxx)
- Verfahrensschritte process steps
- ATLATL
- Abgasturboladerexhaust gas turbocharger
- BVB.V
- Brennverzugcombustion delay
- Huwhoa
- spezifischer unterer Heizwertspecific lower calorific value
- KTKT
- Kurbeltriebcrank drive
- KWweek
- Kurbelwinkelcrank angle
- KTKT
- Kurbelwelle (Kurbeltrieb)crankshaft
- LFLF
- Luftfilterair filter
- LSLS
- Luftsammlerair collector
- MM
-
Drehmoment eines Zylinders in
1 Torque of a cylinder in1 - mFmF
- aktuelle Kraftstoffmasse in einem Zylindercurrent mass of fuel in a cylinder
- nn
- Drehzahlrotation speed
- pp
- Zylinderdruckcylinder pressure
- pzyl,diagpcyl, diag
- Druckkennzahl, hier diagnostischer ZylinderdruckPressure index, here diagnostic cylinder pressure
- P1, P2P1, P2
- Messzeitpunkte zu Beginn und zu Ende des Diagnose-ZeitfenstersMeasurement times at the beginning and end of the diagnosis time window
- p0p0
- Atmosphärendruck unter Normbedingungen (1013hPa)Atmospheric pressure under standard conditions (1013hPa)
- RR
- ideale Gaskonstanteideal gas constant
- rfrf
- relative Luftfüllung des Zylinders in %relative air filling of the cylinder in %
- tt
- Zeitintervall im Diagnose-ZeitfensterTime interval in the diagnosis time window
- TT
- mittlere Temperatur des Gasgemischsmean temperature of the gas mixture
- T0T0
- Umgebungstemperatur unter Normbedingungen (293K)Ambient temperature under standard conditions (293K)
- Uu
- innere Energieinner energy
- VV
- Zylindervolumencylinder volume
- VmaxV max
- maximales Zylindervolumen nahe unterem Totpunkt der Kurbelwellemaximum cylinder volume near bottom dead center of the crankshaft
- ZZ
- Zylindercylinder
- ZZPZZP
- Zündzeitpunkt eines Zylindersignition timing of a cylinder
- φ1φ1
- Kurbelwinkelstellung zum ZündzeitpunktCrank angle position at ignition timing
- φ2φ2
- Kurbelwinkelstellung zum BrennbeginnCrank angle position at the start of combustion
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- WO 2019/238338 A1 [0018, 0020]WO 2019/238338 A1 [0018, 0020]
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