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Stand der
Technik
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Die
Erfindung betrifft zunächst
ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere
in einem Kraftfahrzeug, bei dem aus den Signalen zweier Erfassungseinrichtungen
Winkelstellungen einer Kurbelwelle und einer Nockenwelle ermittelt
werden und bei dem eine relative Winkellage der einen Welle zu der
anderen Welle überwacht
wird.
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Die
Erfindung betrifft auch ein Computerprogramm, ein elektrisches Speichermedium
für ein Steuer-
und/oder Regelgerät
einer Brennkraftmaschine, ein Steuer- und/oder Regelgerät für eine Brennkraftmaschine,
und eine Brennkraftmaschine.
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Ein
Verfahren der eingangs genannten Art ist aus der
DE 100 32 332 A1 bekannt.
In dieser wird beschrieben, dass zur Überwachung und Diagnose einer
Zuordnung der Winkelstellung einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine
zu jener einer Kurbelwelle überprüft wird,
ob die Signale einer Erfassungseinrichtung, mit welcher der Nockenwellenwinkel
erfasst wird, und einer Erfassungseinrichtung, mit welcher der Kurbelwellenwinkel
erfasst wird, zueinander plausibel sind. Dabei wird hier und nachfolgend
unter einer relativen Winkellage die Winkelstellung einer Bezugsmarke
einer Welle relativ einer Bezugsmarke auf der anderen Welle verstanden.
Da die Nockenwelle und die Kurbelwelle üblicherweise über eine Getriebeeinrichtung
miteinander gekoppelt sind, ist die Winkellage der beiden Wellen
zueinander zumindest in bestimmten Betriebszuständen der Brennkraftmaschine,
eine korrekt funktionierende Brennkraftmaschine vorausgesetzt, gleich. Überschreitet eine
Differenz zwischen einer Ist-Winkellage
der Nockenwelle zu einer Soll-Winkellage eine bestimmte Schwelle,
dann wird eine Aktion ausgelöst.
Eine derartige Differenz kann sich beispielsweise dann ergeben,
wenn eine der Erfassungseinrichtungen falsch positioniert ist oder
wenn bei der Signalverarbeitung ein Fehler auftritt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten
Art so weiterzubilden, dass die Brennkraftmaschine noch zuverlässiger betrieben
werden kann.
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Diese
Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch
gelöst,
dass abhängig
davon, ob eine Änderung
der ermittelten aktuellen relativen Winkellage außerhalb
eines Toleranzbereichs liegt, eine Aktion ausgelöst wird.
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Bei
einem Computerprogramm wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass
es zur Anwendung in einem Verfahren der obigen Art programmiert
ist. Bei einem elektrischen Speichermedium wird die Aufgabe gelöst, indem
auf ihm ein Computerprogramm zur Anwendung in einem Verfahren der
obigen Art abgespeichert ist. Ein Steuer- und/oder Regelgerät löst die gestellte
Aufgabe dadurch, dass es zur Anwendung in einem Verfahren der obigen
Art programmiert ist. Bei einer Brennkrftmaschine ist die genannte
Aufgabe dadurch gelöst,
dass sie ein Steuer- und/oder Regelgerät umfasst, welches zur Anwendung
in einem Verfahren der obigen Art programmiert ist.
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Vorteile der
Erfindung
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
kann eine Veränderung
der Kopplung der einen Welle mit der anderen Welle, also eine Veränderung
bei der die Nockenwelle mit der Kurbelwelle koppelnden Getriebeeinrichtung
erkannt werden. Hierdurch wird die Zuverlässigkeit im Betrieb der Brennkraftmaschine
erhöht
und es kann ein Schaden von der Brennkraftmaschine im Fehlerfalle
abgewendet werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist auch ein
komplettes Versagen der die beiden Wellen koppelnden Getriebeeinrichtung
detektierbar.
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Grundlage
hierfür
ist die Tatsache, dass üblicherweise
die Nockenwelle und die Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine über ein
mechanisches Getriebe miteinander gekoppelt sind. Ein solches Getriebe umfasst üblicherweise
eine Steuerkette oder einen Zahnriemen, welche zwischen entsprechenden
Getrieberädern
gespannt sind. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann erkannt
werden, wenn während
des Betriebs der Brennkraftmaschine die Steuerkette oder der Zahnriemen
auf einem der Antriebsräder "verrutscht", wenn sich also
die Kopplung der beiden Wellen verändert. Dieses Erkennen geschieht
dadurch, dass um die mittels der Erfassungseinrichtungen ermittelte
aktuelle relative Winkellage der beiden Wellen ein Toleranzbereich
gelegt wird. Dieser ist so bemessen, dass dann, wenn die Kopplung
sich eindeutig verändert,
indem beispielsweise eine Steuerkette oder ein Zahnriemen um mindestens
eine Teilung auf einem entsprachenden Getrieberad verrutschen, die
relative Winkellage den Toleranzbereich verlässt.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
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Zunächst wird
vorgeschlagen, dass die Auslösung
der Aktion davon abhängt,
ob die Änderung innerhalb
eines bestimmten Zeitraums und/oder innerhalb einer bestimmten Anzahl
von Umdrehungen einer der Wellen erfolgt. Dem liegt die Überlegung zugrunde,
dass ein Verrutschen einer Steuerkette oder eines Zahnriemens oder
ein vollständiges
Versagen der die beiden Wellen miteinander koppelnden Getriebeeinrichtung
schlagartig oder zumindest sehr schnell erfolgt. Dank dieser Weiterbildung
kann ein solcher Fehler von eher langsam auftretenden Fehlern, beispielsweise
einer Drift einer Erfassungseinrichtung, unterschieden werden.
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Dabei
wird auch vorgeschlagen, dass eine ermittelte aktuelle relative
Winkellage spätestens
am Ende eines Betriebszyklus der Brennkraftmaschine in einem nichtflüchtigen
Speicher abgelegt wird. Bei einem nachfolgenden Betriebszyklus der
Brennkraftmaschine liegen dann bereits Vergleichswerte vor, so dass
beispielsweise auch ein Fehler bei Wartungsarbeiten an der die beiden
Wellen koppelnden Getriebeeinrichtung erkannt werden kann. Auch
Einbaufehler einer der Erfassungseinrichtungen müssen bei dieser Weiterbildung
bei der Festlegung des Toleranzbereichs nicht berücksichtigt
werden, so dass der Toleranzbereich vergleichsweise eng sein kann. Dies
erhöht
die Zuverlässigkeit
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
zeichnet sich dadurch aus, dass eine gewünschte relative Winkellage der
beiden Wellen zueinander verändert
verändert, und
dass für
die Überwachung
eine aktuelle relative Winkellage verwendet wird, welche in einer
eindeutigen Position, vorzugsweise in einer der beiden Endlagen,
des möglichen
Verstellbereichs ermittelt wurde. Hierdurch wird der Anwendungsbereich
des erfindungsgemäßen Verfahrens
auch auf solche Brennkraftmaschinen erweitert, bei denen eine Nockenwellenverstellung
vorhanden ist.
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Durch
eine solche Nockenwellenverstellung kann die relative Winkellage
der beiden Wellen gezielt beeinflusst werden. Um dennoch einen vergleichsweise
engen Toleranzbereich festlegen zu können, werden für die vorliegende Überwachung nur
solche Signale verwendet, die in einem reproduzierbaren Betriebszustand,
nämlich
in einer exakt bekannten Position der Verstelleinrichtung, beispielsweise
in einer der Endlagen des Verstellbereichs der Nockenwellenverstellung,
erhalten werden.
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Besonders
vorteilhaft ist es auch, wenn die ermittelte aktuelle relative Winkellage
bezüglich
eines Sollwert adaptiert wird, wobei die Adaption zeitverzögert erfolgt,
vorzugsweise mittels eines Tiefpassfilters. Die ermittelte aktuelle
relative Winkellage ist grundsätzlich
mit einer gewissen Unschärfe
verbunden, da bei ihrer Bestimmung Toleranzen des die beiden Wellen
miteinander koppelnden Getriebes, der Erfassungseinrichtungen und
der Auswerteeinrichtungen mit einfließen. Zu diesen Toleranzen gehört beispielsweise
ein Spiel einer Steuerkette oder eines Zahnriemens, ein Einbaufehler
einer der Erfassungseinrichtungen, Toleranzen der Erfassungseinrichtungen,
Temperatureinflüsse,
denen die Erfassungseinrichtungen unterworfen sind, und so weiter. Mindestens
ein Teil dieser Toleranzeinflüsse,
nämlich die
statischen Einflüsse,
wird bei dem erfindungsgemäß weitergebideten
Verfahren ausadaptiert, indem die ermittelte aktuelle relative Winkellage
allmählich an
den Sollwert angepasst wird. Durch diese Adaption besteht jedoch
die Gefahr, dass die Anderung der relativen Winkellage nicht mehr
korrekt erfasst werden kann. Daher wird die Adaption zeitverzögert durchgeführt.
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Vorgeschlagen
wird ferner, dass abhängig davon,
ob die ermittelte aktuelle relative Winkellage außerhalb
eines Toleranzbereichs liegt, eine Aktion ausgelöst wird. Auf diese Weise kann
auch ein statischer Fehler der Winkellage der beiden Wellen erkannt
werden.
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Vorteilhaft
ist es ferner, wenn die Aktion beziehungsweise die Aktionen einen
Eintrag in einen Fehlerspeicher und/oder eine Stilllegung der Brennkraftmaschine
umfasst beziehungsweise umfassen. Hierdurch wird die Wartung erleichtert
und/oder es wird ein Schaden von der Brennkraftmaschine zuverlässig ferngehalten.
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Zeichnung
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Nachfolgend
wird ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In
der Zeichnung zeigen:
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1 eine schematische Darstellung
einer Brennkraftmaschine mit einer Erfassungseinrichtung für die Winkelstellung
einer Kurbelwelle und einer Erfassungseinrichtung für die Winkelstellung
einer Nockenwelle;
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2 ein Diagramm, in dem die
Signale der beiden Erfassungseinrichtungen von 1 sowie die entsprechende Betriebszustände von
Komponenten der Brennkraftmaschine von 1 im Betrieb dargestellt sind;
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3a ein vergrößerter Ausschnitt
des Signals der Erfassungseinrichtung der Winkelstellung der Kurbelwelle;
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3b ein entsprechend vergrößerter Ausschnitt
des Signals der Erfassungseinrichtung der Winkelstellung der Nockenwelle,
in einem ersten Betriebsfall;
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3c eine Darstellung ähnlich 3b für einen zweiten Betriebsfall;
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3d eine Darstellung ähnlich 3b eines dritten Betriebsfalls;
und
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4 ein Flussdiagramm zur
Erläuterung
eines Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschine von 1.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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Eine
Brennkraftmaschine trägt
in 1 insgesamt das Bezugszeichen 10.
Sie dient zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs, welches jedoch nicht
dargestellt ist. Bei der dargestellten Brennkraftmaschine 10 handelt
es sich um eine Vierzylinder-Brennkraftmaschine, wobei jedoch in 1 nur die Komponenten eines
Zylinders gezeigt sind, welcher das Bezugszeichen 12 trägt.
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Der
Zylinder 12 umfasst einen Brennnraum 14, in dem
Verbrennungsluft über
einen Einlasskanal 16 und ein Einlassventil 18 gelangt.
Die heißen
Verbrennungsabgase werden aus dem Brennraum 14 über ein
Auslassventil 20 und einen Auslasskanal 22 abgeleitet.
Kraftstoff gelangt in den Brennraum 14 direkt über eine
Einspritzvorrichtung 24, und ein sich im Brennraum 12 befindendes
Kraftstoff-Luftgemisch wird von einer Zündkerze 26 gezündet. Bei
der dargestellten Brennkraftmaschine 10 handelt es sich also
um eine solche mit Benzin-Direkteinspritzung. Die nachfolgenden
Ausführungen
sind jedoch in analoger Weise auch auf Diesel-Brennkraftmaschinen sowie auf Brennkraftmaschinen
mit Saugrohreinspritzung anwendbar.
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Ein
Kolben 28 ist über
ein Pleuel 30 mit einer Kurbelwelle 32 verbunden.
Diese ist wieder über
eine Getriebeeinrichtung 34 mit einer Nockenwelle 36 gekoppelt.
Die Getriebeeinrichtung 34 umfasst mehrere in der Figur
nicht dargestellte Komponenten, beispielsweise einen Zahnriemen
und ein kurbelwellenseitiges sowie ein nockenwellenseitiges Riemenrad, zwischen
denen der Zahnriemen gespannt ist.
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Die
Kurbelwelle 32 ist mit einem Geberrad 38 verbunden,
welches sich winkelsynchron mit der Kurbelwelle 32 dreht.
Das Geberrad 38 umfasst insgesamt 58 gleichartige
Winkelmarken 40 und eine Lücke 42, welche dem
Winkelbereich von zwei Winkelmarken 40 entspricht. Die
Position des Geberrads 38 wird von einem Sensor 44 erfasst,
dessen Signal über
eine Eingabeschaltung 46 einem Steuer- und Regelgerät 48 zugeführt wird.
Das Geberrad 38 und der Sensor 44 sind Teil einer
Kurbelwinkel-Erfassungseinrichtung 49.
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In ähnlicher
Weise ist auch die Nockenwelle 36 mit einem Geberrad 50 verbunden,
welches winkelsynchrom mit der Neckenwelle 36 umläuft. Am Geberrad 50 sind
ebenfalls Winkelmarken 52 vorhanden, welche durch Lücken 54 voneinander
beabstandet sind. Das Geberrad 50 wird von einem Sensor 56 abgetastet,
dessen Signal einer Eingabeschaltung 58 und schließich ebenfalls
dem Steuer- und
Regelgerät 48 zugeführt wird.
Das Geberrad 50 und der Sensor 56 sind Teil einer
Nockenwinkel-Erfassungseinrichtung 59.
Das Steuer- und Regelgerät 48 steuert
mittelbar (über
eine nicht dargestellte Zündanlage)
auch die Zündkerze 26 sowie
die Einspritzvorrichtung 24 an.
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In
der 2 sind Signale aufgetragen,
welche von den Sensoren 44 und 56 letztlich an
das Steuer- und Regelgerät 48 geliefert
werden. Das Signal des Sensors 44, mit dem das Geberrad 38 der Kurbelwelle 32 abgetastet
wird, trägt
das Bezugszeichen 60, das Signal, welches vom Sensor 56 geliefert wird,
welcher das Geberrad 50 der Nockenwelle 36 abtastet,
das Bezugszeichen 62. Aus den zeitlichen Abständen im
vorliegenden Ausführungsbeispiel
der abfallenden Signalflanken 63 des Signals 60 wird
in bekannter Weise die Drehzahl der Kurbelwelle 32 ermittelt.
Eine weitere Auswertung ermöglicht
es, die Lücke 42 zu
erkennen, deren Lage repräsentativ
ist für
eine ausgewählte
Stellung der Kurbelwelle 32.
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Um
jedoch eine ausreichende Information über das aktuelle Arbeitsspiel
der Brennkraftmaschine zu erhalten, muss zusätzlich das Signal 62 ausgewertet
werden. Da sich das Geberrad 50 pro Arbeitsspiel nur einmal
dreht, wohingegen sich das Geberrad 38 pro Arbeitsspiel
zweimal dreht, kann durch eine entsprechende Synchronisierung des
Signals 62 mit dem Signal 60 die Stellung der
Kurbelwelle 32 eindeutig definiert und die entsprechenden
Positionen der Kolben 28 und die Arbeitszustände der
Zylinder 12 eindeutig erfasst werden. Hierzu werden im vorliegenden
Ausführungsbeispiel
ebenfalls die abfallenden Flanken 65 des Signals 62 ausgewertet. Abhängig hiervon
erfolgen dann für
die einzelnen Zylinder die Einspritzungen von Kraftstoff durch die
Einspritzvorrichtungen 24 (Bezugszeichen 64 in 2) und die Zündung des
Kraftstoff-Luftgemisches durch die Zündkerze 26 (Bezugszeichen 66 in 2). Die Öffnungszeiträume des
Einlassventils 18 tragen in 2 das
Bezugszeichen 68.
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Wenn
sämtliche
Toleranzeinflüsse
gleich Null sind und die Kopplung zwischen der Kurbelwelle 32 und
der Nockenwelle 36 fehlerfrei ist, liegt eine bestimmte
abfallende Flanke 65Ref des zweiten
von zwei kurzen Rechtecksignalen 72 des Signals 62, welches
die Winkelstellung der Nockenwelle 36 wiedergibt, im vorliegenden
Ausführungsbeispiel
bei einem Kurbelwinkel KWref. Diese Situation
ist in Form eines vergrößerten Ausschnitts
in den 3a und 3b dargestellt.
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Durch
diesen Kurbelwinkel KWref wird eine gewünschte Winkellage
zwischen der Kurbelwelle 32 und der Nockenwelle 36 definiert,
also eine bestimmte Winkelstellung der Nockenwelle 36 bei
einer bestimmten Winkelstellung der Kurbelwelle 32. Aufgrund
von Fertigungstoleranzen, Einbaufehlern, oder aufgrund eines Versagens
im Betrieb der Brennkraftmaschine 10 kann es jedoch vorkommen,
dass diese Winkellage nicht dem gewünschten Wert entspricht. Um
dies festzustellen, wird gemäß einem
Verfahren vorgegangen, welches als Computerprogramm in einem Speicher 76 des
Steuer- und Regelgeräts 48 abgespeichert
ist. Dieses Verfahren wird nun insbesondere unter Bezugnahme auf 4 erläutert:
Nach einem Startblocks 73 wird
in einem Block 80 abgefragt, ob Einschaltbedingungen der
Brennkraftmaschine 10 vorliegen. Hierdurch wird sichergestellt, dass
das in 4 beschriebene
Verfahren wirklich nur zu Ende geführt wird, wenn die Maschine
gestartet wird und sich somit in einem definierten Ausgangszustand
befindet. Dies ist besonders bei Brennkraftmaschinen mit einer verstellbaren
Winkellage der Nockenwelle 36 zur Kurbelwelle 32 wichtig, um
definierte und reproduzierbare Bedingungen für die Durchführung des
Verfahrens zu schaffen. Hierzu wird im Block 80 abgefragt,
ob ein Bit START_COND = 1 ist.
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Ist
die Antwort im Block 80 "ja",
wird im Block 82 eine Differenz DIF1 zwischen einer relativen
Winkellage KWact_t1 und der Soll-Glinkellage
KWref bestimmt. Die Winkellage KWact_t1 wurde während des letzten Betriebszyklus
der Brennkraftmaschine 10 erfasst und in einem nichtflüchtigen
Speicher abgelegt. Eine solche Betriebssituation mit DIF1 ungleich
Null ist in 3c dargestellt.
Die Differenz DIF1 entspricht letztlich der statischen Abweichung
der aktuellen relativen Winkellage der Nockenwelle 36 zur
Kurbelwelle 32 von der Soll-Winkellage KWref.
Wenn der Betrag der Differenz DIF1 einen Grenzwert G1 überschreitet
(Block 84), wird in einem Block 86 ein Fehlerbit
ERROR1 = 1 gesetzt. Andernfalls wird dieses Fehlerbit in einem Block 88 gelöscht.
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Wurde
das Fehlerbit ERROR1 im Block 86 gesetzt, erfolgt im Block 90 ein
Rücksprung
zum Startblock 78. Wurde dagegen im Block 88 das
Fehlerbit ERROR1 gelöscht,
wird im Block 92 eine Differenz DIF2 zwischen der Winkellage
KWact_t1 und der aktuellen relativen Winkellage
KWact_t2 gebildet (eine Betriebssituation
mit DIF2 ungleich Null ist in 3d dargestellt).
Die beiden Winkellagen KWact_t1 und KWact_t2 werden also zu unterschiedlichen Zeitpunkten
t1 und t2 erfasst, so dass die Differenz DIF2 eine zeitliche "dynamische") Änderung
der Winkellage darstellt. in einem Block 94 wird geprüft, ob der
Betrag der Differenz DIF2 einen Grenzwert G2 übersteigt. Ist die Antwort
im Block 94 ja",
wird im Block 96 einFehlerbit ERROR2 = 1 gesetzt. Anderfalls
wird dieses Fehlerbit ERROR2 im Block 98 gleich Null gesetzt.
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Bei
gesetztem Fehlerbit ERROR1 liegt ein statischer Fehler in der Kopplung
zwischen Kurbelwelle 32 und Nockenwelle 36 vor.
Wenn das Fehlerbit ERROR2 gesetzt ist, hat sich dagegen eine dynamische
Fehlfunktion ereignet. Hierzu gehört beispielsweise ein Verrutschen
des Zahnriemens oder auch ein Reißen des Zahnriemens. Um darüber hinaus
erkennen zu können,
ob diese dynamische Fehlfunktion plötzlich oder allmählich auftritt,
kann auch erfasst werden, ob die Änderung der DIF2 der Winkellage
innerhalb eines bestimmten Zeitfensters auftritt. Eine entsprechende
Abfrage wäre
zwischen den Blöcken 94 und 96 in 4 vorzusehen.
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Ferner
sei darauf hingewiesen, dass zumindest dann, wenn die Differenz
DIF1 den Grenzwert G1 nicht überschreitet,
die Differenz DIF1 durch eine entsprechende Adaption der Winkellage
KWact_t1 auf die Soll-Winkellage KWref wenigstens annähernd zu Null gemacht wird.
Um dennoch die Differenz DIF2 korrekt bestimmen zu können, wird
der Wert KWact_t1, wie oben angegeben, in
einem nichtflüchtigen
Speicher abgespeichert. Ferner erfolgt die Adaption zeitverzögert mittels
eines Tiefpassfilters, um zu verhindern, dass die aktuelle relative
Winkellage KWact_t2 ebenfalls sofort auf
die Soll-Winkellage KWref adaptiert wird,
was die korrekte Bestimmung der Differenz DIF2 unmöglich machen
würde.