DE10236617A1

DE10236617A1 - Verfahren, Computerprogramm, sowie Steuer- und/oder Regelgerät zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, sowie Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10236617A1
Application number: DE2002136617
Authority: DE
Inventors: Uwe Kassner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-08-09
Filing date: 2002-08-09
Publication date: 2004-02-19

Abstract

Bei einer Brennkraftmaschine (10) wird der Druck in einem Brennraum (14) mindestens eines Zylinders (12) wenigstens zeitweise während des Betriebs der Brennkraftmaschine (10) mittels eines Drucksensors (30) erfasst. Um während des Betriebs der Brennkraftmaschine die Kompression eines Zylinders ermitteln zu können, wird vorgeschlagen, dass der Maximalwert des Drucks im Brennraum (14) des Zylinders (12) bestimmt wird, welcher während eines Arbeitstaktes auftritt, in dem der Zylinder (12) keine Arbeit leistet.

Description

Die Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, bei dem der Druck in einem Brennraum mindestens eines Zylinders wenigstens zeitweise während des Betriebs der Brennkraftmaschine mittels eines Drucksensors erfasst wird.

Stand der Technik

Aus der DE 41 14 797 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem insbesondere während des Starts der Brennkraftmaschine der Druck in den Brennräumen der Brennkraftmaschine erfasst wird. Aus den erfassten Drucksignalen wird ermittelt, welcher der Zylinder der Brennkraftmaschine zuerst gezündet werden kann. Letztlich werden bei der DE 41 14 797 A1 also die Drucksignale der Drucksensoren dazu verwendet, die aktuelle Stellung einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine möglichst schnell und exakt festzustellen.

Ferner sind Verfahren bekannt, mit denen die Kompression in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine ermittelt werden kann. Bei der Kompression handelt es sich um den maximalen Absolutdruck am Ende eines Kompressionstaktes der Brennkraftmaschine. So ist es beispielweise möglich, eine Zündkerze eines Brennraums auszubauen und stattdessen einen Drucksensor einzubauen. Dies ist allerdings nicht im Betrieb der Brennkraftmaschine, sondern nur während einer Wartung der Brennkraftmaschine möglich. Die Ermittlung der Kompression während des Betriebs der Brennkraftmaschine kann beispielsweise auch aus dem Verlauf der Drehzahl während des Startvorgangs der Brennkraftmaschine, aus dem Verlauf des Starterstroms etc., erfolgen. Alle diese Verfahren sind jedoch relativ ungenau und von vielen weiteren Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine abhängig.

Die vorliegende Erfindung hat daher die Aufgabe, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass die Kompression während des Betriebs, der Brennkraftmaschine genau und einfach festgestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Maximalwert des Drucks im Brennraum des Zylinders bestimmt wird, welcher während eines Arbeitstaktes auftritt, in dem der Zylinder keine Arbeit leistet.

Vorteile der Erfindung

Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann die Kompression für bestimmte Zeiträume, nämlich dann, wenn der entsprechende Zylinder keine Arbeit leistet, während des normalen Betriebs der Brennkraftmaschine ermittelt werden. Auf diese Weise wird die Betriebssicherheit der Brennkraftmaschine erhöht, da beispielsweise ein Schaden an einer Zylinderkopfdichtung der Brennkraftmaschine oder an einer Kolbenbuchse so rechtzeitig erkannt werden kann; dass keine weiteren Schäden entstehen.

Möglich wird dies dadurch, dass erfasst wird, wenn sich ein Zylinder in einem Betriebszustand befindet, in dem er innerhalb eines Arbeitstaktes keine Arbeit abgibt. Derartige Arbeitstakte kommen bei einer Brennkraftmaschine während ihres Normalbetriebs immer wieder vor. Wird ein solcher Arbeitstakt erkannt, kann der Maximalwert des Brennraumdrucks ermittelt werden, der innerhalb eines solchen Arbeitstaktes vorliegt. Dieser Maximalwert entspricht dann der Kompression dieses Zylinders. Würde stattdessen während des Arbeitstaktes Arbeit geleistet werden (Kraftstoff verbrennt), entspräche der Maximalwert des Brennraumdrucks nicht der Kompression.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.

In einer ersten besonders vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorgeschlagen, dass der Maximalwert des Brennraumdrucks des Zylinders für einen Arbeitszyklus ermittelt wird, in dem kein Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine gelangt. Dies erhöht die Genauigkeit bei der Ermittlung der Kompression, da der Maximalwert des Brennraumdrucks von sich im Brennraum befindlichem Kraftstoffdampf unbeeinflusst bleibt.

In vorteilhafter Weiterbildung dieses Verfahrens wird vorgeschlagen, dass der Maximalwert des Brennraumdrucks des Zylinders für einen Arbeitszyklus während der Startphase ermittelt wird. Hier wird die Tatsache ausgenützt, dass unmittelbar nach der Betätigung des Anlassers üblicherweise noch keine Einspritzung von Kraftstoff erfolgt. Somit kann der Zeitraum unmittelbar nach Beginn der Drehung der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine durch den Anlasser bis zur ersten Einspritzung von Kraftstoff für die Ermittlung der Kompression der Brennkraftmaschine verwendet werden: Möglich ist auch, dass der Maximalwert des Brennraumdrucks des Zylinders für einen Arbeitszyklus während eines Schubbetriebs der Brennkraftmaschine ermittelt wird. Auch während des Schubbetriebs einer Brennkraftmaschine erfolgt üblicherweise keine Einspritzung von Kraftstoff, da diese zur Kraftstoffeinsparung unterbrochen wird. Da der Schubbetrieb einer Brennkraftmaschine üblicherweise über einen längeren Zeitraum andauert als die Startphase der Brennkraftmaschine, eignet sich der Schubbetrieb besonders gut zur Ermittlung der Kompression in den Brennräumen der Brennkraftmaschine.

Möglich ist aber auch, dass der Maximalwert des Brennraumdrucks des Zylinders für einen Arbeitszyklus ermittelt wird, bei dem der Zylinder abgeschaltet ist. Eine Zylinderabschaltung wird bisweilen durchgeführt, um den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine bei geringer Leistungsabgabe zu verbessern. Allerdings kann in diesen Fällen die Kompression immer nur für jene Zylinder ermittelt werden, welche bei geringer Leistungsabgabe abgeschaltet sind.

Eine andere Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass der Brennraumdruck in einem kurbelwellensynchronen Raster erfasst und die erfassten Werte zusammen mit den entsprechenden Kurbelwinkeln für mindestens einen Arbeitszyklus des Zylinders abgespeichert werden. Dies erleichtert die Ermittlung des Maximalwerts des Brennraumdrucks. Aufgrund der Abspeicherung der Wertepaare kann die Ermittlung des maximalen Brennraumdrucks auch zu einem späteren Zeitpunkt erfolgen, zu dem die hierfür erforderliche Rechenkapazität möglicherweise besser zur Verfügung steht. Um Speicher zu sparen, ist es auch möglich, dass die Wertepaare nur für solche Arbeitszyklen abgespeichert werden, in denen der entsprechende Zylinder keine Arbeit leistet bzw. kein Kraftstoff in den entsprechenden Brennraum eingespritzt wird.

Besonders bevorzugt ist dabei jene Weiterbildung, bei der aus den abgespeicherten Werten des Brennraumdrucks und des Kurbelwinkels wenigstens für den Kompressionstakt des Zylinders eine Näherungsfunktion, insbesondere ein Polynom, gebildet wird, und bei der der Maximalwert des Brennraumdrucks durch einen entsprechenden Algorithmus oder algebraisch ermittelt wird. Dies ist programmtechnisch besonders einfach zu realisieren und ermöglicht eine exakte Bestimmung des Maximalwerts des Brennraumdrucks und somit der Kompression.

Vorzugsweise wird die ermittelte Kompression mit einem Grenzwert verglichen, wobei dann, wenn die Kompression gleich wie oder kleiner als der Grenzwert ist, eine. Reaktion erfolgt. Durch den Vergleich der Kompression mit einem Grenzwert können solche Kompressionswerte sofort erkannt werden, die unterhalb einer Soll-Kompression liegen und die auf eine Fehlfunktion der Brennkraftmaschine schließen lassen. Die in diesem Fall einsetzende Reaktion kann helfen, einer Verschlechterung des Zustands der Brennkraftmaschine vorzubeugen.

Dabei ist es grundsätzlich denkbar, dass dann, wenn nur bei einem einzelnen Arbeitszyklus eine Grenzwertunterschreitung festgestellt wird, zunächst nur eine erste Reaktionsstufe ausgelöst wird, und dass erst dann, wenn in mehreren aufeinanderfolgenden Arbeitszyklen die besagte Grenzwertunterschreitung festgestellt wird, eine zweite Reaktionsstufe ausgelöst wird. Hierdurch soll unnötigen Reaktionen, die beispielsweise durch ein fehlerhaftes Signal des Drucksensors hervorgerufen werden können, vorgebeugt werden.

In die gleiche Richtung zielt auch jene Weiterbildung, bei der zu der ermittelten Kompression ein Toleranzwert addiert und die Summe mit einem Grenzwert verglichen wird, und bei der dann, wenn die Summe gleich wie oder kleiner als der Grenzwert ist, eine Reaktion erfolgt. Auch hierdurch sollen an sich unnötige Reaktionen vermieden werden.

In Weiterbildung hierzu ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Reaktion einen Eintrag in einen Fehlerspeicher, die Ausgabe eines Warnsignals und/oder einen Eingriff in die Steuerung der Brennkraftmaschine umfasst. Der Eintrag . in den Fehlerspeicher kann später, beispielsweise bei einer Wartung der Brennkraftmaschine, ausgelesen werden, was die Reparatur eines gegebenenfalls vorhandenen Fehlers erleichtert.

Ein Warnsignal kann den Benutzer der Brennkraftmaschine, beispielsweise den Fahrer eines Kraftfahrzeugs, auf das offenkundig bei der Brennkraftmaschine vorhandene Problem hinweisen, so dass er beschleunigt eine Werkstätte aufsuchen kann. Durch einen Eingriff in die Steuerung der Brennkraftmaschine können nach einem festgestellten Fehler solche Betriebszustände von vornherein ausgeschlossen werden, welche bei einer festgestellten mangelhaften Kompression mindestens eines Zylinders zu weiteren Schäden der Brennkraftmaschine führen könnten.

Die Erfindung betrifft auch ein Computerprogramm, welches zur Durchführung des obigen Verfahrens geeignet ist, wenn es auf einem Computer durchgeführt wird. Dabei wird besonders bevorzugt, wenn das Computerprogramm auf einem Speicher, insbesondere auf einem Flash-Memory, abgespeichert ist.

Die Erfindung betrifft auch ein Steuer- und/oder Regelgerät zum Betreiben einer Brennkraftmaschine. Bei einem solchen Steuer- und/oder Regelgerät wird besonders bevorzugt; wenn es einen Speicher umfasst, auf dem ein Computerprogramm der obigen Art abgespeichert ist.

Weiterhin betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine, mit mindestens einem Zylinder, und mit mindestens einem Drucksensor, welcher während des Betriebs der Brennkraftmaschine den Druck in einem Brennraum des Zylinders erfasst und entsprechende Signale an ein Steuerund/oder Regelgerät liefert. Bei einer solchen Brennkraftmaschine wird vorgeschlagen, dass sie ein Steuerund/oder Regelgerät der obigen Art umfasst.

Zeichnung
Nachfolgend wird ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung im Detail erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1: eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine;
2: ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschine von 1; und
3: ein Diagramm, in dem der Verlauf des Drucks in einem Brennraum der Brennkraftmaschine von Fig. 1 über dem Winkel einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine von 1 aufgetragen ist.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In 1 trägt eine Brennkraftmaschine insgesamt das Bezugszeichen 10. Bei ihr handelt es sich um eine Viertakt-Kolben-Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern und mit Kraftstoff-Direkteinspritzung. Aus Darstellungsgründen sind jedoch nur die Teile und Elemente eines einzelnen Zylinders 12 dargestellt.
Der dargestellte Zylinder 12 umfasst einen Brennraum 14, dem Frischluft über ein Ansaugrohr 16 und ein Einlassventil 18 zugeführt wird. Die heißen Verbrennungsabgase werden aus dem Brennraum 14 über ein Auslassventil 20 und ein Abgasrohr 22 abgeführt. Der Kraftstoff gelangt in den Brennraum 14 unmittelbar durch einen Injektor 24, dem der Kraftstoff unter sehr hohem Druck von einem Kraftstoffsystem 26 bereitgestellt wird. Die Zündung des im Brennraum befindlichen Kraftstoff-Luft-Gemisches erfolgt durch eine Zündkerze 28. Der Druck der im Brennraum 14 vorhandenen Gase wird von einem Drucksensor 30 erfasst.
Die Auf- und Abbewegung eines in 1 nicht dargestellten Kolbens wird auf eine Kurbelwelle 32 übertragen, deren Drehzahl und Winkelstellung von einem Winkel- und Drehzahlgeber 34 erfasst wird. Die Signale des Winkelgebers 34 und des Drucksensors 30 werden an ein Steuer- und Regelgerät 36 geleitet. Dieses steuert auch die Zündkerze 28 und den Injektor 24 an.
Für die korrekte Funktion der Brennkraftmaschine 10 ist die sogenannte Kompression im Brennraum 14 ein wichtiger Wert. Unter der Kompression versteht man den maximal am Ende eines Kompressionstaktes (ohne Verbrennung) im Brennraum 14. vorliegenden Absolutdruck. Sinkt dieser maximal erzielbare Absolutdruck ab, ist dies ein Indiz auf eine Fehlfunktion, beispielsweise auf eine undichte Zylinderkopfdichtung oder auf eine schadhafte Zylinderbuchse. Um die Kompression in dem in 1 dargestellten Brennraum 14 des Zylinders 12 überwachen zu können, wird gemäß einem Verfahren vorgegangen, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die 2 und 3 im Detail erläutert wird. Das Verfahren ist als Computerprogramm auf einem Speicher des Steuer- und Regelgeräts 36 abgespeichert.
Nach einem Startblock 38 wird in einem Block 40 der aktuelle Druck p im Brennraum 14 des Zylinders 12 erfasst. Die Erfassung erfolgt dabei durch den Drucksensor 30 und bei bestimmten Winkeln der Kurbelwelle 32, die vom Winkelgeber 34 erfasst werden. Die entsprechenden Wertepaare aus aktuellem Druck im Brennraum 14 und dem zugehörigen Winkel der Kurbelwelle 32 werden im Block 42 abgespeichert. Auf diese Weise wird eine Tabelle mit bestimmten Druckwerten p bei bestimmten Kurbelwinkeln KW geschaffen.
Im Block 44 wird überprüft, ob ein vollständiger Arbeitszyklus beendet worden ist. Hierunter sind im vorliegenden Fall also alle vier Arbeitstakte des Zylinders 12 der Brennkraftmaschine 10 zu verstehen. Ist der Arbeitszyklus noch nicht abgeschlossen, erfolgt ein Rücksprung zur Druckerfassung im Block 40. Im Block 46 wird abgefragt, ob der. Arbeitszyklus, bei dem die Wertepaare abgespeichert wurden, eine Einspritzung von Kraftstoff durch den Injektor 24 in den Brennraum 14 umfasste. War dies nicht der Fall, beispielsweise zu Beginn der Startphase der Brennkraftmaschine, während eines Schubbetriebs der Brennkraftmaschine 10 mit Schubabschaltung, oder wenn der Zylinder 12 aus sonstigen Gründen abgeschaltet war, wird im Block 48 der während dieses Arbeitszyklus erfasste maximale Druckwert pmax ermittelt. Dies geschieht folgendermaßen (vgl. 3):
Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel wird angenommen, dass während des besagten Arbeitszyklus während des Kompressionstaktes und des anschließenden Expansionstaktes insgesamt neun aus einem Druckwert p und einem Winkelwert KW bestehende Wertepaare p1–p9 erfasst und abgespeichert worden sind. Mittels geeigneter analytischer Methoden wird nun ein Polynom 50 ermittelt, welches mit möglichst guter Näherung durch die Wertepaare p1–p9 repräsentiert wird. Durch ein algebraisches Verfahren oder einen entsprechenden Algorithmus wird nun der Maximalwert pmax des Polynoms 50 berechnet. Da während des hier betrachteten Arbeitstaktes von dem entsprechenden Zylinder 12 keine Arbeit geleistet wurde, handelt es sich bei dem ermittelten Maximalwert pmax um die Kompression dieses Zylinders 12.
Im Block 52 in 2 wird nun zu diesem Maximalwert pmax ein Toleranzwert dpt addiert. Hierdurch soll der Einfluss von Messungenauigkeiten des Drucksensors 30 vermindert werden. Die Summe S aus dem Maximalwert pmax und dem Toleranzwert dpt wird im Block 54 mit einem Grenzwert G verglichen. Ist die Summe S kleiner als oder gleich wie der Grenzwert G, bedeutet dies, dass die Kompression des Zylinders 12 zu niedrig ist und ein Schaden dieses Zylinders 12 der Brennkraftmaschine 10 angenommen, werden kann (beispielsweise schadhafte Zylinderkopfdichtung, schadhafte Zylinderbuchse, schadhafter Kolbenring). In diesem Fall erfolgt daher im Block 56 eine Reaktion, welche einen Eintrag in einen Fehlerspeicher, die Ausgabe eines Warnsignals (beispielsweise das Aufleuchten eines Warnhinweises am Armaturenbrett eines Kraftfahrzeugs) und eine Reduktion des maximal von der Brennkraftmaschine zu erbringenden Drehmoments umfasst. Das Verfahren endet in einem Block 58.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (10), bei dem der Druck (p) in einem Brennraum (14) mindestens eines Zylinders (12) wenigstens zeitweise während des Betriebs der Brennkraftmaschine (10) mittels eines Drucksensors (30) erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Maximalwert (pmax) des Drucks (p) im Brennraum (14) des Zylinders (12) bestimmt wird, welcher während eines Arbeitstaktes auftritt, in dem der Zylinder (12). keine Arbeit leistet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Maximalwert (pmax) des Brennraumdrucks (p) des Zylinders (12) für einen Arbeitszyklus ermittelt wird, in dem kein Kraftstoff in den Brennraum (14) gelangt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Maximalwert (pmax) des Brennraumdrucks (p) des Zylinders (12) für einen Arbeitszyklus ermittelt wird, der in der Startphase der Brennkraftmaschine liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Maximalwert (pmax) des Brennraumdrucks (p) des Zylinders (12) für einen Arbeitszyklus ermittelt wird, der in einer Schubbetriebsphase der Brennkraftmaschine (10) liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Maximalwert (pmax) des Brennraumdrucks (p) des Zylinders (12) für einen Arbeitszyklus ermittelt wird, bei dem der Zylinder (12) abgeschaltet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennraumdruck (p) in einem kurbelwellensynchronen Raster erfasst und die erfassten Werte (p) zusammen mit den entsprechenden Kurbelwinkeln (KW) für mindestens einen Arbeitszyklus des Zylinders (12) abgespeichert werden (42).
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass aus den abgespeicherten Werten des Brennraumdrucks (p) und des Kurbelwinkels (KW) wenigstens für den Kompressionstakt des Zylinders (12) eine Näherungsfunktion, insbesondere ein Polynom, (50) gebildet wird, und der Maximalwert (pmax) des Brennraumdrucks (p) durch einen entsprechenden Algorithmus oder algebraisch ermittelt. wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die. ermittelte Kompression mit einem Grenzwert verglichen wird, und dass dann, wenn die Kompression gleich wie oder kleiner. als der Grenzwert ist, eine Reaktion erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zu der ermittelten Kompression (pmax). ein Toleranzwert (dpt) addiert (52) und die Summe (S) mit einem Grenzwert (G) verglichen wird (54), und dass dann, wenn die Summe (S) gleich wie oder kleiner als der Grenzwert (G) ist, eine Reaktion erfolgt (56).
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktion (56) einen Eintrag in einen Fehlerspeicher, die Ausgabe eines Warnsignals, und/oder einen Eingriff in die Steuerung der Brennkraftmaschine umfasst.
Computerprogramm, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche geeignet ist, wenn es auf einem Computer ausgeführt wird.
Computerprogramm nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass es auf einem Speicher, insbesondere auf einem Flash-Memory, abgespeichert ist.
Steuer- und/oder Regelgerät (36) zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (10), dadurch gekennzeichnet, dass es einen Speicher umfasst, auf dem ein Computerprogramm nach einem der Ansprüche 11 oder 12 abgespeichert ist.
Brennkraftmaschine (10), mit mindestens einem Zylinder (12), und mit mindestens einem Drucksensor (30), welcher während des Betriebs der Brennkraftmaschine (10) den Druck (p) in einem Brennraum (14) des Zylinders (12) erfasst und entsprechende Signale an ein Steuer- und/oder Regelgerät (36) liefert; dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerund/oder Regelgerät (36) nach Anspruch 13 ausgebildet ist.