DE102006054603A1

DE102006054603A1 - Verfahren zur Diagnose einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102006054603A1
Application number: DE102006054603A
Authority: DE
Inventors: Martin Klenk; Klaus Ries-Mueller; Uwe Kassner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-11-20
Filing date: 2006-11-20
Publication date: 2008-05-21
Also published as: US20080133177A1; JP2008128244A; FR2908885A1; CN101187340A

Abstract

Verfahren zur Diagnose einer Brennkraftmaschine (1) mit mindestens einem der Brennkraftmaschine (1) zugeordneten Mikrofon (7), wobei Schall der Brennkraftmaschine (2) aufgenommen und in ein elektrisches Signal gewandelt wird. Das den Schall repräsentierende elektrische Signal wird zur Diagnose des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine (1) verwendet.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Vorrichtung sowie ein Computerprogramm zur Diagnose einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem der Brennkraftmaschine zugeordneten Mikrofon.
Eine Diagnose des Betriebszustandes einer Brennkraftmaschine erfolgt in der Regel durch die Messung und Bewertung von diversen physikalischen Größen wie Kurbelwellendrehzahl, diversen Drücken und Temperaturen und dergleichen.
Aus der EP 0 840 285 ist ein System zur aktiven Abgasschalldämpfung einer Brennkraftmaschine bekannt. Derartige Systeme erzeugen z.B. mittels eines Lautsprechers ein Schallsignal, das dem durch die Abgasanlage erzeugten Schall überlagert wird und dieses kompensiert oder im Sinne eines "Sounddesigns" verändert. Teil des Systems ist ein Mikrofon zur Aufnahme des durch die Abgasanlage abgegebenen Schalls (Auspuffgeräuschs).
Offenbarung der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine weitere Möglichkeit der Diagnose des Betriebszustandes einer Brennkraftmaschine anzugeben
Dieses Problem wird gelöst durch ein Verfahren, eine Vorrichtung, ein Computerprogramm sowie die Verwendung einer Vorrichtung nach den unabhängigen Ansprüchen.
Das Problem wird insbesondere gelöst durch ein Verfahren zur Diagnose einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem der Brennkraftmaschine zugeordneten Mikrofon, wobei Schall aufgenommen und in ein elektrisches Signal gewandelt wird, wobei das den Schall repräsentierende elektrische Signal zur Diagnose des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine verwen det wird. Die Diagnose des Betriebszustandes umfasst das Erkennen von Schäden einzelner Bauteile oder Baugruppen der Brennkraftmaschine sowie die Überwachung darauf, ob der Ist-Zustand der Brennkraftmaschine einem Soll-Zustand entspricht, beispielsweise ob eine Zylinderabschaltung korrekt eingenommen ist, ob Parameter wie Einspritzzeitpunkt und -dauer, Zündzeitpunkt und dergleichen den Sollgrößen entsprechen. Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise in einem Kraftfahrzeug angeordnet. Das Mikrofon ist bevorzugt einer Abgasanlage zugeordnet. Das Mikrofon ist vorzugsweise Teil einer Vorrichtung zur aktiven Schallbeeinflussung der Abgasanlage. Die Diagnose des Betriebszustandes erfolgt bevorzugt mit durch ein Steuergerät der Vorrichtung zur aktiven Schallbeeinflussung der Abgasanlage aufbereiteten Rohdaten des Mikrofons. Das Mikrofon kann aber auch an anderen Stellen des Motors – bzw. Fahrzeugs angeordnet sein, vorzugsweise in der Nähe der zu überwachenden Brennkraftmaschine. Die Aufbereitung kann eine Digitalisierung und/oder eine Filterung und/oder eine Transformation in den Frequenzbereich umfassen.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Diagnose des Betriebszustandes vermittels eines Vergleichs des den Schall der Abgasanlage repräsentierenden elektrischen Signals mit einem erwarteten elektrischen Signal erfolgt, wobei bei einer Abweichung des den Schall der Abgasanlage repräsentierenden elektrischen Signals von dem erwarteten elektrischen Signal größer einem Grenzwert auf eine Abweichung des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine von einem Sollzustand erkannt wird. Die Diagnose des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine umfasst bevorzugt die Erkennung von Verbrennungsaussetzern. Ein Verbrennungsaussetzer wird vorzugsweise erkannt, wenn eine Amplitude einer Abgaspulsation während eines bestimmten Zeitraumes geringer ist als eine erwartete Minimalamplitude. Die Diagnose des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine umfasst in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform eine Überwachung des Öffnens und des Schließens von Gaswechselventilen. Die Diagnose des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine umfasst bevorzugt eine Überwachung mindestens eines Zylinders während einer Zylinderabschaltung dieses Zylinders auf geschlossene Gaswechselventile. Ein fehlerhaftes Öffnen eines Gaswechselventils während einer Zylinderabschaltung eines Zylinders wird vorzugsweise erkannt, wenn eine Amplitude einer Abgaspulsation während eines bestimmten Zeitraumes ist als eine erwartete Maximalamplitude.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass aus dem elektrischen Signal ein das Signal repräsentierendes Geräuschmuster generiert wird, das mit für bestimmte Fehler charakteristischen Geräuschmuster verglichen wird, wobei ein Maß, das den Grad der Übereinstimmung zwischen dem das Signal repräsentierenden Geräuschmuster und dem charakteristischen Geräuschmuster repräsentiert, ermittelt wird und wobei auf den dem charakteristischen Geräuschmuster zugeordneten Fehler erkannt wird, wenn das Maß außerhalb eines Toleranzbereiches ist. Das den Grad der Übereinstimmung zwischen dem das Signal repräsentierenden Geräuschmuster und dem charakteristischen Geräuschmuster repräsentierende Maß kann beispielsweise eine Korrelation beider Geräuschmuster oder eine vergleichbare statistische Größe sein.
Das Geräuschmuster ist bevorzugt ein Spektrum des elektrischen Signals im Frequenzbereich einer Integraltransformation, insbesondere einer Fouriertransformation,.
Das eingangs genannte Problem wird auch gelöst durch eine Vorrichtung, insbesondere ein Steuergerät für eine Brennkraftmaschine, die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem erfindungsgemäßen Verfahren eingerichtet ist.
Das eingangs genannte Problem wird auch gelöst durch ein Computerprogramm mit Programmcode zur Durchführung aller Schritte nach einem erfindungsgemäßen Verfahren, wenn das Programm in einem Computer ausgeführt wird.
Das eingangs genannte Problem wird auch gelöst durch die Verwendung einer Vorrichtung zur aktiven Schallbeeinflussung der Abgasanlage einer Brennkraftmaschine zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
1 eine Skizze eines Systems zur aktiven Schallbeeinflussung in der Abgasanlage einer Brennkraftmaschine;
2 eine detailliertere Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems zur Diagnose einer Brennkraftmaschine.
Ausführungsform der Erfindung
1 zeigt eine Prinzipskizze eines Systems zur aktiven Beeinflussung der Abgasanlage 2 einer Brennkraftmaschine. Eine detailliertere Darstellung eines derartigen Systems findet sich beispielsweise in der EP 0 840 285 sowie in dem Aufsatz „Variable Gestaltung des Abgasmilndungsgeräusches am Beispiel eines V6-Motors" von Heil, Enderle et al. in MTZ 10/2001, Seite 786-794. Eine Brennkraftmaschine 1 ist mit einer Abgasanlage verbunden, die ein Rohr 15 und einen Schalldämpfer 3 umfasst. Die Steuerung der Brennkraftmaschine sowie des Systems zur aktiven Schallbeeinflussung erfolgt mit einem aus dem Stand der Technik bekannten Steuergerät 4. Für die aktive Schallbeeinflussung generiert das Steuergerät 4 ein Signal, das mit einem Verstärker 5 auf die notwendige Leistung verstärkt wird und mit einem Schallwandler 6, vorzugsweise einem Lautsprecher, in den Schalldämpfer 3 eingekoppelt wird. Die Berechnung des Signals verwendet Größen, die den Betriebspunkt der Brennkraftmaschine beschreiben. Um eine Regelung zu verwirklichen wird das resultierende Schallsignal am Ausgang der Abgasanlage mit einem Mikrofon 7 erfasst und dem Motorsteuergerät 4 als elektrische Größe zugeführt. Die das Schallsignal am Ausgang der Abgasanlage repräsentierende elektrische Größe des Mikrofons 7 wird durch das Steuergerät für die Steuerung und Regelung der Signale des Schallwandlers 6 verwendet. Das Steuergerät 4 enthält zur Steuerung des Schallsignals eine Rechenvorschrift, die im allgemeinen Sinn als Regler interpretiert werden kann. Ziel ist es entweder, das Signal aus dem Mikrofon 7 zu minimieren (das Regelziel ist also ein minimales Geräusch) oder eine gewünschte Amplitude bestimmter Frequenzen zu erzielen (das Regelziel hier ist also ein „Geräuschdesign" und damit eine bewusste Beeinflussung des Geräuschcharakters). Dazu enthält der Regler Parameter, die betriebspunktabhängig in dem Steuergerät 4 gespeichert sind. Diese Abhängigkeit kann z.B. die Motordrehzahl n, die Motorlast P und der Zündwinkel φ sein. Diese Parameter sind entweder fest vorgegeben oder werden mit einer Adaption an sich ändernde Parameter des zu regelnden Systems angepasst.
Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, das System zur aktiven Schallbeeinflussung zur Diagnose des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine heranzuziehen. Insbesondere wird das System zur aktiven Schallbeeinflussung zur Überwachung der Brennkraftmaschine auf fehlende Verbrennungen einzelner Zylinder eingesetzt. Dabei wird im Rahmen einer Diagnosefunktion in der Motorsteuerung das Auftreten von Verbrennungsaussetzern überwacht. Dies ist insbesondere das Ausbleiben der Verbrennung eines oder mehrerer Zylinder, z.B. durch einen Fehler im Bereich des Zündsystems der Brennkraftmaschine. Zum anderen ist eine Überwachung der gezielten Deaktivierung einzelner Zylinder, der so genannten Zylinderabschaltung, möglich.
2 zeigt eine detailliertere Skizze eines erfindungsgemäßen Systems. Die Brennkraftmaschine 1 ist mit dem Abgasrohr 15, das einen Mittelschalldämpfer 8 umfasst, mit dem Endschalldämpfer 9 verbunden. Dem Endschalldämpfer 9 ist, wie in 1 dargestellt, ein Lautsprecher zugeordnet. Stromab des Endschalldämpfers 9 ist wie in dem Ausführungsbeispiel der 1 ein Mikrofon zur Aufnahme des Mündungsgeräusches des Auspuffs 10 angeordnet. Ein Signalgenerator 11 erzeugt die Grundfrequenz der Abgaspulsationen in Abhängigkeit von der Motordrehzahl n, dazu kann ein Kurbelwellengeber als Synchronisierungsquelle genutzt werden. Der Signalgenerator 11 erzeugt zusätzlich eine gewünschte Anzahl von Vielfachen der Grundfrequenzen, so genannten Harmonischen. Diese werden individuell mit digitalen Filtern, hier dargestellt für drei Frequenzen, also die Grundfrequenz und zwei Harmonische, die mit dem Bezugszeichen 12a, 12b und 12c versehen sind, in Verstärkung und Phasenlage beeinflusst. Die Filterparameter sind zum einen betriebspunktabhängig in dem Steuergerät 4 gespeichert, zum anderen werden diese über eine Adaptionsvorrichtung 13, die einen Adaptionsalgorithmus ausführt, so nachgeführt, dass die Abweichung zwischen dem Signal des Mikrofons 7 und vorgebbaren Soll-Werten 14 der Amplitude für jede der Frequenzen minimal werden. Die Ausgangssignale der Filter 12a bis 12c werden einem Leistungsverstärker 5 zugeführt, der einen Schallwandler 6, der beispielsweise ein Lautsprecher oder dergleichen sein kann, ansteuert. Der Adaptionsalgorithmus der Adaptionsvorrichtung 10 kann beispielsweise ein quadratisches Gütekriterium minimieren, das mit einem Verfahren der kleinsten Quadrate gelöst wird.
Sind die Filterparameter der digitalen Filter 12a bis 12c ideal angepasst und der Soll-Wert 14 zu null gesetzt, dies entspricht dem Regelungsziel eines minimalen Geräusches am Ausgang der Abgasanlage, so kompensiert das Schallsignal des Schallwandlers nahezu vollständig die Abgaspulsationen der einzelnen Zylinder. Das Ausgangssignal des Mikrofons 7 ist dann nahezu null. Das Ausbleiben einer Verbrennung als Verbrennungsaussetzer bedeutet eine deutlich geringere Amplitude der Abgaspulsation für diesen Zylinder. Das Korrektursignal des Schallwandlers 6 ist aber für die Abgaspulsation einer vollständigen Verbrennung durch die Filterparameter der digitalen Filter 12a bis 12c bestimmt, die deshalb auch durch den Betriebspunkt des Verbrennungsmotors beeinflusst werden. Somit erscheint am Mikrofon 7 eine Signalamplitude. Dieses Signal kann nun mit bekannten Verfahren ausgewertet werden. Ein bekanntes Verfahren ist das Überschreiten eines einstellbaren Schwellwertes, bei dem auf einen Verbrennungsaussetzer geschlossen wird. Die Zuordnung des Verbrennungsaussetzers zu einem bestimmten Zylinder erfolgt durch eine Messung der Laufzeit der Abgaspulsation vom Auslassventil des Verbrennungsmotors zum Mikrofon 7. Diese Laufzeit wird im Wesentlichen durch die Abgastemperatur und ihren Einfluss auf die Schallgeschwindigkeit bestimmt, d.h. wird diese Laufzeit betriebspunktabhängig in dem Steuergerät 4 in einem Kennfeld gespeichert, kann bei bekannter Motordrehzahl n auf den aussetzenden Zylinder geschlossen werden. Ein Verbrennungsaussetzer erkannt wird, wenn die Amplitude A der Abgaspulsation während eines bestimmten Zeitraumes Δt geringer ist als eine erwartete Minimalamplitude A_min.
In einer weiteren Ausgestaltung wird das System zur Überwachung der gezielten Deaktivierung eines der Zylinder eingesetzt. Dabei werden durch die Motorsteuerung betriebspunktabhängig einzelne Zylinder nicht mit Kraftstoff versorgt. Weiterhin werden die Ein- und Auslassventile (Gaswechselventile) des Verbrennungsmotors geschlossen gehalten, um den Energieverbrauch durch die Kompressionsarbeit zu verringern. Im Idealfall erzeugen die abgeschalteten Zylinder keine Abgaspulsationen. Die Filterparameter der Filter 12a bis 12c können nun von der Motorsteuerung auf Parameter umgeschaltet werden, die vom Regelungsziel abhängen. Ist als Regelungsziel ein minimales Abgasgeräusch eingestellt, so ist für den abgeschalteten Zylinder kein Ausgangssignal am Schallwandler 6 erforderlich. Soll hingegen das Abgasgeräusch nicht durch die Zylinderdeaktivierung beeinflusst werden, so fügt der Schallwandler 6 das Geräusch der fehlenden Verbrennungen dem Gesamtgeräusch hinzu.
In beiden zuvor genannten Fällen weicht das Signal am Mikrofon 7 vom erwarteten Verlauf ab, wenn die Auslassventile nicht wie von der Motorsteuerung angefordert geschlossen bleiben. Somit kann das Verhalten der Auslassventilsteuerung ohne zusätzliche Sensoren überwacht werden. Ein fehlerhaftes Öffnen eines Gaswechselventils während der Zylinderabschaltung eines Zylinders wird erkannt wenn die Amplitude A der Abgaspulsation während eines bestimmten Zeitraumes Δt größer ist als eine erwartete Maximalamplitude A_max.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird durch das Steuergerät eine Signalanalyse des Geräuschsspektrums, z.B. mittels einer Fast-Fourier-Transformation (FFT), ermittelt. Diese ermittelten Geräuschmuster werden mit abgespeicherten Geräuschmustern verglichen. Dabei können neuronale Netze oder auch einfache Schwellwertabfragen Anwendung finden. Die verschiedenen Geräuschmuster und deren zeitliche Zuordnung entsprechen verschiedenen Fehlerbildern, wie z.B. einem Klopfen des Motors, einem Lagerschaden am Motor oder einem Rad, einem defekt an einem Einspritzventil, einem Defekt an der Hoch druckpumpe, einem Defekt am Generator, z.B. einem durchrutschenden Keilriemen, einem Defekt am Anlasser, einer Leckage am Ansaug- bzw. Abgassystem, Defekte an sonstigen Aktuatoren wie Aktuatoren der Drosselklappe, Sekundärluftpumpe, Sekundärluftsystem, Tankentlüftungsventil, Abgasklappe, Abgasrückführungsventil, Saugrohrumschaltung, einem Verschleiß an Haupt- und Nebengetrieben, z.B. bei einem automatisierten Schaltgetriebe, am Verteilergetriebe oder am Differentialgetriebe, einem Defekt am Motorventiltrieb, einem Defekt am waste gate des Turboladers, einem Defekt am Umluftventil des Turboladers oder einem Defekt am Motorlüfter oder am Anlasser oder dergleichen.
Bei Übereinstimmung von ermittelten bzw. gemessenen Geräuschmustern mit den abgespeicherten Geräuschmustern wird auf das dem abgespeicherten Geräuschmuster zugeordnete Fehlerbild geschlossen.
Alternativ kann die Durchführung der Diagnose im Motorschubbetrieb erfolgen, da dann kein Störgeräusch von der Verbrennung vorliegt. Die Durchführung der Diagnose kann ebenso im Fahrzeugstillstand erfolgen. Dabei erfolgt eine bewusste Ansteuerung von Komponenten der Brennkraftmaschine oder weiteren Komponenten des Fahrzeuges bei stehender Brennkraftmaschine und einer Auswertung der von den Komponenten imitierten Geräusche. Ebenso kann eine Ansteuerung der Einspritzventile abhängig vom Geräuschniveau der Komponente erfolgen. Beispielsweise kann eine Reduktion des „Nagelns", insbesondere bei einem Dieselmotor, durch eine Änderung der Ansteuerung und damit einer Änderung der Einspritzmenge erfolgen. Das heißt die Einspritzansteuerung wird derart verändert, dass eine Geräuschreduktion stattfindet. Durch solch einen Regelkreis können zum Beispiel auch Komponentendrifts über der Lebensdauer kompensiert werden. Vorzugsweise im Schubbetrieb kann auch die Zündung durch Kontrolle des Geräusches des Zündfunkens kontrolliert werden.

Claims

Verfahren zur Diagnose einer Brennkraftmaschine (1) mit mindestens einem der Brennkraftmaschine (1) zugeordneten Mikrofon (7), wobei Schall der Brennkraftmaschine (2) aufgenommen und in ein elektrisches Signal gewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das den Schall repräsentierende elektrische Signal zur Diagnose des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine (1) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrofon einer Abgasanlage zugeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrofon (7) Teil einer Vorrichtung zur aktiven Schallbeeinflussung der Abgasanlage ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Diagnose des Betriebszustandes mit durch ein Steuergerät (4) der Vorrichtung zur aktiven Schallbeeinflussung der Abgasanlage aufbereiteten Rohdaten des Mikrofons (7) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Diagnose des Betriebszustandes vermittels eines Vergleichs des den Schall der Abgasanlage (2) repräsentierenden elektrischen Signals mit einem erwarteten elektrischen Signal erfolgt, wobei bei einer Abweichung des den Schall der Abgasanlage (2) repräsentierenden elektrischen Signals von dem erwarteten elektrischen Signal größer einem Grenzwert auf eine Abweichung des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine (1) von einem Sollzustand erkannt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Diagnose des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine (1) die Erkennung von Verbrennungsaussetzern umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verbrennungsaussetzer erkannt wird, wenn eine Amplitude (A) einer Abgaspulsation während eines bestimmten Zeitraumes (Δt) geringer ist als eine erwartete Minimalamplitude (A_min).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Diagnose des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine eine Überwachung des Öffnens und des Schließens von Gaswechselventilen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Diagnose des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine eine Überwachung mindestens eines Zylinders während einer Zylinderabschaltung dieses Zylinders auf geschlossene Gaswechselventile umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein fehlerhaftes Öffnen eines Gaswechselventils während einer Zylinderabschaltung eines Zylinders erkannt wird, wenn eine Amplitude (A) einer Abgaspulsation während eines bestimmten Zeitraumes (Δt) größer ist als eine erwartete Maximalamplitude (A_max).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem elektrischen Signal ein das Signal repräsentierendes Geräuschmuster generiert wird, das mit für bestimmte Fehler charakteristischen Geräuschmuster verglichen wird, wobei ein Maß, das den Grad der Übereinstimmung zwischen dem das Signal repräsentierenden Geräuschmuster und dem charakteristischen Geräuschmuster repräsentiert, ermittelt wird und wobei auf den dem charakteristischen Geräuschmuster zugeordneten Fehler erkannt wird, wenn das Maß außerhalb eines Toleranzbereiches ist.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Geräuschmuster ein Spektrum des elektrischen Signals im Frequenzbereich einer Integraltransformation, insbesondere einer Fouriertransformation, ist.
Vorrichtung, insbesondere Steuergerät für eine Brennkraftmaschine, die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 eingerichtet ist.
Computerprogramm mit Programmcode zur Durchführung aller Schritte nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wenn das Programm in einem Computer ausgeführt wird.
Verwendung einer Vorrichtung zur aktiven Schallbeeinflussung der Abgasanlage einer Brennkraftmaschine zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12.