DE102010039800A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erkennung des selbständigen Laufens eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Erkennung des selbständigen Laufens eines Verbrennungsmotors Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung des selbständigen Laufens und/oder des Starts/Stopps eines Verbrennungsmotors, wobei zu dieser Erkennung den Verbrennungsprozess charakterisierende Parameter des Verbrennungsmotors (1), insbesondere Druckänderungen oder Schwingungen, ausgewertet werden.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung des selbständigen Laufens eines Verbrennungsmotors, welcher mit einer Starthilfseinrichtung aus seiner Ruheposition angeschleppt wird sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
  • Verbrennungsmotoren eines Kraftfahrzeuges sind nicht in der Lage, selbstständig ihren aktiven Betrieb aufzunehmen. Aus diesem Grund werden bei konventionellen Fahrzeugen die Verbrennungsmotoren von einem elektrisch betriebenen Anlasser in Bewegung gesetzt. Gleichzeitig mit der Betätigung des Anlassers werden die notwendigen Vorgänge Gemischbildung, Verbrennung, Drehzahl- bzw. Füllungserfassung des Verbrennungsmotors gestartet. Der selbstständige Lauf des Verbrennungsmotors wird erkannt, wenn die Drehzahl des Verbrennungsmotors über der Drehzahl des Anlassers liegt bzw. wenn die Drehzahl des Verbrennungsmotors eine definierte Schwelle übersteigt. Hat der Verbrennungsmotor seine eigenständige Bewegung aufgenommen, wird der Anlasser wieder vom Verbrennungsmotor abgekoppelt.
  • Bei Hybridsystemen, welche zwei Antriebsaggregate in Form des Verbrennungsmotors und eines Elektromotors aufweisen, kann der Verbrennungsmotor durch den Elektromotor oder den Anlasser gestartet werden. Mit einem solchen Hybridantrieb ist der Start des Verbrennungsmotors aus dem Stand des Kraftfahrzeuges möglich. Es ist aber auch während des rein elektrischen Fahrens mit dem Elektromotor als Antrieb ein Start des Verbrennungsmotors möglich. Der Übergang zwischen elektrischem Fahren zum hybridischen Fahren, bei welchem der Elektromotor bzw. der Anlasser den Verbrennungsmotor startet und dann das Fahrzeug von dem Elektromotor und dem Verbrennungsmotor angetrieben wird, kann folgendermaßen eingeleitet werden. Eine zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Elektromotor angeordnete Trennkupplung ist geschlossen und der Elektromotor schleppt den Verbrennungsmotor solange an, bis der Verbrennungsmotor in einen selbstständigen Lauf verfallen ist.
  • Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass die Trennkupplung zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Elektromotor zunächst geöffnet ist. Während des Fahrens des Fahrzeuges wird die Trennkupplung dann schleifend in Form einer Proportionalkupplung oder schlagartig mittels einer Impulskupplung oder einer Proportionalkupplung geschlossen. In den beschriebenen Fällen kann aus der Analyse der Drehzahl des Verbrennungsmotors keine Aussage darüber getroffen werden, ob der Verbrennungsmotor selbstständig läuft, da der Verbrennungsmotor vom Elektromotor mitgeschleppt werden kann.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, für den Belastungsfall des Verbrennungsmotors (z. B. Übergang vom elektrischen Fahren zum hybridischen Fahren oder hybridisches Fahren mit Rekuperationsanforderung) zuverlässig ein selbständiges Laufen des Verbrennungsmotors zu erkennen.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass zur Erkennung des selbständigen Laufens des Verbrennungsmotors den Verbrennungsprozess charakterisierende Parameter, insbesondere Druckänderungen und/oder Schwingungen, ausgewertet werden. Dies hat den Vorteil, dass ein Signal herangezogen wird, welches allein durch die Funktionsweise des Verbrennungsmotors hervorgerufen wird. Eine Beeinflussung durch den Elektromotor ist dabei nicht möglich, da ein solches Signal berücksichtigt wird, welches durch die Verbrennungsprozesse, die in dem Verbrennungsmotor durch dessen aktives Laufen hervorgerufen werden, zur Beurteilung eines selbständig laufenden Verbrennungsmotors heran gezogen werden.
  • In einer Variante wird das Signal eines an dem Verbrennungsmotor angeordneten Klopfsensors ausgewertet. Die Verwendung eines Klopfsensors zur Erkennung des selbständigen Laufens des Verbrennungsmotors, welcher durch den Verbrennungsprozess verursachte Körperschallschwingungen am Gehäuse des Verbrennungsmotors detektiert, greift dabei auf an sich am Verbrennungsmotor verbaute Sensoren zurück. Auch eine entsprechende Auswerteelektronik für das Signal des Klopfsensors ist bereits im Kraftfahrzeug vorhanden, so dass für die Durchführung des Verfahrens auf zusätzliche hardwaremäßige Komponenten verzichtet werden kann. Lediglich eine Softwareänderung erlaubt eine Auswertung des Signals des Klopfsensors hinsichtlich des selbständigen Laufens des Verbrennungsmotors.
  • Vorteilhafterweise wird das Signal des Klopfsensors mit einem vorgegebenen Referenzbereich verglichen und auf ein selbständiges Laufen des Verbrennungsmotors erkannt, wenn das Signal des Klopfsensors in den vorgegebenen Referenzbereich fällt. Durch die Auswahl des Referenzbereiches wird sichergestellt, dass das Signal nur solche Werte annehmen kann, die typisch für einen normalen Ablauf der Verbrennungen innerhalb des Verbrennungsmotors sind. Überschwingsignale des Klopfsensors, welche insbesondere durch Verbrennungen erfolgen, die nicht durch den Zündfunken einer Zündkerze verursacht werden und welche einen sehr hohen Druckanstieg im Verbrennungsmotor erzeugen, werden dabei zuverlässig nicht berücksichtigt.
  • In einer Ausgestaltung wird das Signal des Klopfsensors hinsichtlich seiner Amplitude und/oder hinsichtlich seiner Frequenz ausgewertet. Mit Amplitude oder Frequenz werden daher Eigenschaften von Schwingungen betrachtet, die den Signalverlauf typischerweise charakterisieren. Dabei wird für jede Amplitude bzw. für jede Frequenz zum Vergleich mit dem Signal des Klopfsensors ein eigenständiger Referenzbereich vorgegeben, so dass die Amplitude mit einem Amplitudenreferenzbereich und die Frequenz mit einem Frequenzreferenzbereich verglichen werden.
  • In einer Variante gibt eine Motorsteuerung zum Start des Verbrennungsmotors ein Signal an die Starthilfseinrichtung aus und berechnet mindestens eine Steuergröße für den Verbrennungsmotor, die an dem Verbrennungsmotor eingestellt wird, wobei die mindestens eine Steuergröße des gestarteten Verbrennungsmotors gemessen wird und bei der gemessenen Steuergröße mit einem Wert größer Null das Signal des Klopfsensors ausgewertet wird. Durch die zusätzliche Auswertung der Steuergrößen wird die Funktion der an dem Verbrennungsmotor verbauten Aktoren geprüft, wodurch festgestellt wird, ob sich der Verbrennungsmotor auch real in einer selbständigen Bewegung befinden kann.
  • Insbesondere betreffen die Steuergrößen, welche durch die Motorsteuerung eingestellt und gemessen werden, die Einspritzung und/oder die Zündung des Verbrennungsmotors. Mit diesen Steuergrößen wird der Verbrennungsprozess innerhalb des Verbrennungsmotors bei eingestellter Füllung ausreichend gesteuert. Im Einzelnen können solche Steuergrößen als Einspritzzeit, als Zündzeitpunkt oder als Kurbelwellenwinkel, bei welchem eine Zündung erfolgen soll, ausgebildet sein. Verfahren zur Bestimmung solcher Steuergrößen sind in der Motorsteuerung hinterlegt und müssen nicht zusätzlich entwickelt werden, wodurch Entwicklungszeit eingespart wird.
  • In einer Weiterbildung wird das Signal des Klopfsensors vor der Auswertung gefiltert. Dadurch werden die Signale vom Rauschen befreit, so dass eine genaue Auswertung des Signals des Klopfsensors möglich wird.
  • Vorteilhafterweise wird bei einem Wert der beiden gemessenen Steuergrößen des Verbrennungsmotors von ungleich Null und bei einem Wert mindestens eines der gemessenen Signale außerhalb des entsprechenden Referenzbereiches auf einen Defekt eines, die Steuergröße einstellenden Aktor in dem Verbrennungsmotor geschlossen. In diesem Fall wird ein nichtselbständiges Laufen des Verbrennungsmotors erkannt.
  • In einer Ausführungsform werden bei erkanntem nichtselbständigen Laufens des Verbrennungsmotors vorgegebene Betriebszustände des Verbrennungsmotors und/oder des Gesamtsystems eingeschränkt oder unterbunden. Zu solchen Betriebszuständen können Lastpunktverschiebungen genauso gehören, wie das Abschalten einer Start-/Stopp-Funktionalität des Kraftfahrzeuges.
  • In einer besonders einfachen Variante wird anhand des selbständigen Laufens des Verbrennungsmotors ein Start oder ein Stopp des Verbrennungsmotors erkannt.
  • Eine Weiterbildung der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erkennung des selbständigen Laufens eines Verbrennungsmotors, welche an eine Starthilfseinrichtung ein Signal zum Anschleppen des Verbrennungsmotors aus seiner Ruheposition ausgibt. Um nach dem Start des Verbrennungsmotors zuverlässig das selbständige Laufen des Verbrennungsmotor zu erkennen, sind Mittel vorhanden, welche zur Erkennung des selbständigen Laufens des Verbrennungsmotors den Verbrennungsprozess des Verbrennungsmotors charakterisierende Parameter, insbesondere Druckänderungen oder Schwingungen, auswerten. Dadurch werden nur solche Signale zur Erkennung des Starts des Verbrennungsmotors betrachtet, welche allein von dem Verbrennungsmotor während des Verbrennungsprozesses erzeugt werden und welche nicht von der Starthilfseinrichtung beeinflusst sind.
  • Insbesondere wird bei erfolgtem Start des Verbrennungsmotors ein Signal von einem Klopfsensor empfangen und ausgewertet. Durch die Verwendung von an sich am Verbrennungsmotor schon vorhandener Sensoren werden die Kosten reduziert.
  • Vorteilhafterweise ist die Starthilfseinrichtung als Anlasser oder als Elektromotor eines Hybridfahrzeuges ausgebildet. Somit ist das erfindungsgemäße Verfahren sowohl in konventionellen Kraftfahrzeugen als auch in Hybridfahrzeugen einsetzbar.
  • Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.
  • Es zeigt:
  • 1: Prinzip eines Hybridsystems
  • 2: ein Ablaufdiagramm zur Erkennung des selbständigen Laufens eines Verbrennungsmotors.
  • In 1 ist eine Prinzipdarstellung für einen Hybridantrieb in einem Kraftfahrzeug dargestellt. Ein Verbrennungsmotor 1 ist über eine Antriebswelle 2 mit einem Elektromotor 3 verbunden. Der Elektromotor 3 sitzt auf der Antriebswelle 2 des Antriebsstranges des Kraftfahrzeuges. Zwischen dem Verbrennungsmotor 1 und dem Elektromotor 3 ist eine Trennkupplung 4 angeordnet, welche im geöffneten Zustand ein rein elektrisches Fahren des Kraftfahrzeuges nur mit dem Elektromotor 3 erlaubt. Der Elektromotor 3 ist auf ein Getriebe 5 geführt, welches an einem Differenzial 6 anliegt. Dieses Differenzial 6 ist auf einer Seitenwelle 7 gelagert, von welcher ein Fahrzeugrad 8 angetrieben wird.
  • Zwischen dem Elektromotor 3 und dem Getriebe 5 ist eine weitere Kupplung 9 angeordnet, welche zum Anfahren des Kraftfahrzeuges dient und die durch den Fahrer des Kraftfahrzeuges betätigt wird, wenn das Kraftfahrzeug aus dem Stand in den Fahrzustand übergeht. Darüber hinaus ist an dem Verbrennungsmotor 1 ein Klopfsensor 10 angeordnet, welcher mit einem Steuergerät 11 verbunden ist, das außerdem an den Elektromotor 3 führt.
  • Ein Hybridfahrzeug wird üblicherweise beim Stand des Fahrzeuges mit dem Elektromotor 3 angefahren, so dass es zunächst rein elektrisch angetrieben wird. Die an dem Hybridfahrzeug einzustellende Leistung wird durch den Fahrer durch Betätigung eines Fahrpedals vorgegeben. Reicht die Leistung, welche der Elektromotor 3 ausgibt, nicht mehr aus, um dem Fahrerwunsch zu entsprechen, entscheidet das Steuergerät 11, dass der bisher sich im Ruhezustand befindende Verbrennungsmotor 1 gestartet werden soll. An dieser Stelle wird die ebenfalls mit dem Steuergerät 11 verbundene Trennkupplung 4, welche zwischen dem Verbrennungsmotor 1 und dem Elektromotor 3 angeordnet ist, geschlossen. Durch den Elektromotor 3 wird dabei über die geschlossene Trennkupplung 4 auf die Antriebswelle 2, welche sich bisher in einem Ruhezustand befindet, und somit auf den Verbrennungsmotor 1 eine Drehbewegung übertragen. Gleichzeitig wird die Leistung des Elektromotors 3 durch Anforderung des Steuergerätes 11 erhöht, damit der Elektromotor 3 die Last des Verbrennungsmotors 1 auch entsprechend anschleppen kann. Außerdem berechnet das Steuergerät 11 zu diesem Zeitpunkt Steuergrößen für die Einspritzung wie beispielsweise die Einspritzzeit der Einspritzventile und den Zündzeitpunkt bzw. den Winkel der Kurbelwelle, bei welchem die Zündung in den einzelnen Zylindern des Verbrennungsmotors 1 erfolgen soll.
  • Um nun festzustellen, ob der Verbrennungsmotor 1 auch selbständig läuft, startet in dem Steuergerät 11 eine Ablaufsteuerung, welche in 2 dargestellt ist. In einer Signalaufbereitung im Block 100 werden die Ausgangssignale 101 des Klopfsensors 10 empfangen und ausgewertet. Diese Ausgangssignale 101 werden in der Signalaufbereitung (Block 100) durch geeignete Filter so aufbereitet, dass die Ausgangssignale 101 vom Rauschen befreit sind und einer Auswertung in Form von Auswertesignalen 109 und 110 zugeführt werden können. Dabei werden die von dem Klopfsensor 10 gelieferten Ausgangssignale 101 in Amplitudenauswertesignale 109 (Block 102) und Frequenzauswertesignale 110 (Block 103) unterschieden. Je nach Form der Auswertung können entweder die Amplitudenauswertesignale 109 des Blocks 102 oder die Frequenzauswertesignale 110 des Blocks 103 oder aber auch beide Signalarten für die Beurteilung des selbständigen Laufens des Verbrennungsmotors 1 betrachtet werden.
  • Die bereitgestellten Amplitudenauswertesignale 109 im Block 102 bzw. Frequenzauswertesignale 110 im Block 103 werden im Block 104 einer Signalauswertung zugeleitet. Als Eingangssignale 105 erhält die Signalauswertung im Block 104 Informationen über die Einspritzung bzw. die Zündung, die in dem sich selbstständig bewegenden Verbrennungsmotor 1 gemessen werden. Solche Eingangssignale 105 charakterisieren den Zustand des Verbrennungsmotors 1 und sind entweder der Kurbelwellenwinkel, der Zündzeitpunkt oder die Einspritzzeit.
  • Haben diese Eingangssignale 105 einen Wert größer als Null, wird die Signalauswertung ausgeführt. Bei der Signalauswertung werden die Amplitudenauswertesignale 109 mit einem Amplitudenreferenzbereich und die Frequenauswertesignale 110 mit einem Frequenzreferenzbereich verglichen. Liegen die von dem Klopfsensor 10 gelieferten Amplitudenwerte 106a bzw. Frequenzwerte 106b in dem jeweiligen Amplitudenreferenzbereich bzw. dem Frequenzreferenzbereich, wird davon ausgegangen, dass der Verbrennungsmotor 1 nicht nur eigenständig seinen Betrieb aufgenommen hat, sondern auch in einem korrekten Betriebszustand arbeitet.
  • Wird aber in der Signalauswertung im Block 104 festgestellt, dass mindestens ein Eingangsignal 105, das als Eingangsgröße von der Einspritzung oder der Zündung geliefert wird, gleich Null ist, wird im Block 107 eine Diagnose ausgeführt bzw. zu einer Fehlerbehandlung übergegangen. Sind die Eingangssignale 105 ungleich Null, werden die Amplitudenauswertesignale 109 und/oder die Frequenzauswertesignale 110 zur Diagnose eines selbständig laufenden Verbrennungsmotors (1) in Betracht gezogen. Liegen die Amplitudenauswertesignale 109 und/oder die Frequenzauswertesignale 110 außerhalb des entsprechenden Referenzbereiches, wird im Block 107 eine Diagnose ausgeführt bzw. zu einer Fehlerbehandlung übergegangen. Im Ergebnis der Diagnose werden dann Betriebszustände wie die Lastpunktverschiebung und/oder die Start-/Stopp-Funktionalität des Kraftfahrzeuges nicht mehr ausgeführt.
  • Aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens kann nicht bloß der Start des Verbrennungsmotors zuverlässig eruiert, sondern auch der Stopp des Verbrennungsmotors 1 bestimmt werden. Die verschiedenen Modi zum Start des Verbrennungsmotors 1 durch den Elektromotor 3 bzw. der Übergang von rein elektrischem Fahren in den hybridischen Betrieb müssen dabei nicht weiter explizit berücksichtigt werden. Dies hat zur Folge, dass eine Auswertelogik einfach gehalten werden kann. Auf Basis des Signals des Klopfsensors 10 kann eine präzise Aussage über den selbstständigen Lauf und den Stopp des Verbrennungsmotors 1 gemacht werden.

Claims (13)

  1. Verfahren zur Erkennung des selbständigen Laufens eines Verbrennungsmotors, welcher mit einer Starthilfseinrichtung (3) aus seiner Ruheposition angeschleppt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erkennung des selbständigen Laufens des Verbrennungsmotors (1) den Verbrennungsprozess charakterisierende Parameter, insbesondere Druckänderungen oder Schwingungen, ausgewertet werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass zur Erkennung des selbständigen Laufens das Signal (109, 110) eines an dem Verbrennungsmotor (1) angeordneten Klopfsensors (10) ausgewertet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal (109, 110) des Klopfsensors (10) mit einem vorgegebenen Referenzbereich verglichen wird und auf ein selbständiges Laufen des Verbrennungsmotors (1) erkannt wird, wenn das Signal (109, 110) des Klopfsensors (10) in den vorgegebenen Referenzbereich fällt.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal (109, 110) des Klopfsensors (10) hinsichtlich seiner Amplitude (102) und/oder hinsichtlich seiner Frequenz (103) ausgewertet wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Motorsteuerung (11) zum Start des Verbrennungsmotors (1) ein Signal an die Starthilfseinrichtung (3) ausgibt und mindestens eine Steuergröße für den Verbrennungsmotor (1) berechnet, die an dem Verbrennungsmotor (1) eingestellt wird, wobei die mindestens eine Steuergröße (105) des gestarteten Verbrennungsmotors (1) gemessen wird und bei einer gemessenen Steuergröße (105) mit einem Wert größer Null das Signal des Klopfsensors (10) ausgewertet wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuergrößen (105) die Einspritzung und/oder die Zündung des Verbrennungsmotors (1) betreffen.
  7. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal des Klopfsensors (10) vor der Auswertung gefiltert wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Wert der beiden Steuergrößen (105) des Verbrennungsmotors (1) von ungleich Null und bei einem Wert mindestens eines der gemessenen Signale (109, 110) außerhalb des entsprechenden Referenzbereiches auf einen Defekt eines, die Steuergröße einstellenden Aktors in dem Verbrennungsmotor (1) geschlossen wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei erkanntem nichtselbständigen Laufens des Verbrennungsmotors (1) vorgegebene Betriebszustände des Verbrennungsmotors (1) und/oder des Gesamtsystems eingeschränkt oder unterbunden werden.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass anhand des selbständigen Laufens des Verbrennungsmotors (1) ein Start oder ein Stopp des Verbrennungsmotors (1) erkannt wird.
  11. Vorrichtung zur Erkennung des selbständigen Laufens eines Verbrennungsmotors, welche an eine Starthilfseinrichtung (3) ein Signal zum Anschleppen des Verbrennungsmotors (1) aus seiner Ruheposition ausgibt, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorhanden sind, welche zur Erkennung des selbständigen Laufens des Verbrennungsmotors (1) den Verbrennungsprozess charakterisierende Parameter, insbesondere Druckänderungen oder Schwingungen, auswerten.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass bei erfolgtem Start des Verbrennungsmotors (1) die Mittel (11) ein Signal von einem Klopfsensor (10) empfangen.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Starthilfseinrichtung als Anlasser oder als Elektromotor (3) eines Hybridfahrzeuges ausgebildet ist.
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