DE102020120364A1

DE102020120364A1 - Determination of a residual gas content in a cylinder of an internal combustion engine

Info

Publication number: DE102020120364A1
Application number: DE102020120364.0A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Grasreiner
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2020-08-03
Filing date: 2020-08-03
Publication date: 2022-02-03

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung eines Restgasanteils (x) in einem Zylinder (Z1, Z2, Z3, Z4) eines Verbrennungsmotors (1) in einem Kraftfahrzeug, aufweisend die Schritte: Bestimmen eines Diagnose-Zeitfensters (112) innerhalb eines Drehmomentlochs (12) eines der Takte des Verbrennungsmotors (1) während eines Fahrbetriebs des Kraftfahrzeugs, Identifizieren eines Zylinders (Z1-Z4), welcher sich zu Beginn des Diagnose-Zeitfensters in einem Kompressionstakt befindet, Ermitteln einer Drehzahlentwicklung (101) des Verbrennungsmotors (1) während des Diagnose-Zeitfensters.The invention relates to a device and a method for determining a residual gas content (x) in a cylinder (Z1, Z2, Z3, Z4) of an internal combustion engine (1) in a motor vehicle, having the steps: determining a diagnostic time window (112) within a Torque hole (12) of one of the strokes of the internal combustion engine (1) while the motor vehicle is being driven, identifying a cylinder (Z1-Z4) which is in a compression stroke at the beginning of the diagnostic time window, determining a speed development (101) of the internal combustion engine (1 ) during the diagnosis time window.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Ermittlung eines Restgasanteils in einem Zylinder eines Verbrennungsmotors, sowie einen Verbrennungsmotor mit mehreren Zylindern mit einer solchen Einrichtung.The invention relates to a method and a device for determining a residual gas content in a cylinder of an internal combustion engine, and an internal combustion engine with a number of cylinders with such a device.

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 Wichtigkeit. 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 diesem Hintergrund 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 Restgasanteils in einem Zylinder eines Verbrennungsmotors bereitzustellen.Against this background, 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 a residual gas content in a cylinder of an internal combustion engine.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Ermittlung eines Restgasanteils in einem Zylinder eines Verbrennungsmotors mit den Merkmalen von Anspruch 1, eine Einrichtung zur Ermittlung eines Restgasanteils in einem Zylinder eines Verbrennungsmotors mit den Merkmalen von Anspruch 14, sowie einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen von Anspruch 15. Vorteilhafte Ausführungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This object is achieved by a method for determining a residual gas portion in a cylinder of an internal combustion engine having the features of claim 1, a device for determining a residual gas portion in a cylinder of an internal combustion engine having the features of claim 14, and an internal combustion engine having the features of claim 15 Advantageous embodiments are the subject matter of the dependent claims.

Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zur Ermittlung eines Restgasanteils 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 insbesondere ein zusammenhängender Zeitraum als Anteil eines Kompressionstakts 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.
(b) Identifizieren eines Zylinders, welcher sich zu Beginn des Diagnose-Zeitfensters in einem Kompressionstakt 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 der eine Zylinder identifiziert, welcher sich zu Beginn des Diagnose-Zeitfensters in einem Kompressionstakt befindet.
(c) Ermitteln einer Drehzahlentwicklung des Verbrennungsmotors während des Diagnose-Zeitfensters. 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 einer geringen Samplingzeit, beispielsweise im Bereich von einer Millisekunde (ms) oder kleiner, zwischen zeitlich benachbarten Werten, verwendet werden.
(d) Ermitteln eines Restgasanteils im identifizierten Zylinder während des Diagnose-Zeitfensters in Abhängigkeit von der ermittelten Drehzahlentwicklung im Diagnose-Zeitfenster.

According to one aspect, a method for determining a residual gas content in one, in particular several, cylinders of an internal combustion engine in a motor vehicle is specified, having at least one, several or all of the following method steps - in the specified order or in another technically reasonable order:

(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 in particular as a continuous period of time as a portion of a compression stroke in the internal combustion engine (for example one of the strokes of a four-stroke combustion process 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 make no contribution to a propulsion torque that is relevant in the context.
(b) Identifying a cylinder that is on a compression stroke at the beginning of the diagnostic time window. 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, the one cylinder which is in a compression 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 the present case, a speed development is to be understood in particular as how a speed present at the crankshaft of the internal combustion engine develops during the diagnosis time window. For this purpose, values for the rotational speed with a short sampling time, for example in the range of one millisecond (ms) or less, between adjacent values in time, can be used.
(d) Determination of a residual gas content in the identified cylinder during the diagnosis time window as a function of the determined speed development in the diagnosis time window.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Einrichtung zur Ermittlung eines Restgasanteils in einem Zylinder eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug mit mehreren Zylindern angegeben, wobei die Einrichtung insbesondere dazu eingerichtet ist, ein Verfahren gemäß einer Ausführung der Erfindung durchzuführen, und wobei die Einrichtung zumindest 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.

According to a further aspect, a device for determining a residual gas content in a cylinder of an internal combustion engine in a motor vehicle with multiple cylinders is specified, the device being set up in particular to carry out a method according to one embodiment of the invention, and the device having at least:

(i) a rotational speed detection unit which is set up to detect a rotational 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 a combustion air ratio of the air-fuel mixture introduced into the cylinder and/or to transmit it to a computing unit.

Ferner weist die Einrichtung auf (vi) 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 zu steuern und/oder Messwerte und/oder dort jeweils hinterlegte Daten übermittelt zu bekommen. Die Recheneinheit ist 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 befindet.Furthermore, the device has (vi) a computing unit which is set up to control the rotational speed detection unit and/or the residual gas content 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 measured values and/or data stored there. The processing unit is set up 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 at the beginning of the diagnosis time window.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verbrennungsmotor mit mehreren Zylindern angegeben, aufweisend eine Einrichtung 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 several cylinders is specified, having a device 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 es für verschiedene Diagnosen des Ventiltriebs in Verbrennungsmotoren sinnvoll ist, die genaue Füllung eines Zylinders zu kennen. Die Füllung zu einem bestimmten Zeitpunkt lässt erkennen, ob die Ventile richtig öffnen/schließen. Mit Kenntnis der Füllung ist eine Bewertung von Richtig- bzw. Fehlfunktionen ohne eine Demontage des Motors in der Werkstatt möglich. Darüber hinaus ermöglicht die Kenntnis der Restgasinhalte im Zylinder die Steuerung von neuen Brennverfahren (wie beispielsweise HCCI oder Hochrestgasverfahren). Diese Brennverfahren sind Restgassensitiv und müssen stabilisiert werden.The invention is based, among other things, on the consideration that it makes sense for various diagnoses of the valve train in internal combustion engines to know the exact filling of a cylinder. The filling at a certain point in time indicates whether the valves are opening/closing correctly. With knowledge of the filling, it is possible to evaluate correct or malfunctioning without having to dismantle the engine in the workshop. In addition, knowledge of the residual gas content in the cylinder enables the control of new combustion processes (such as HCCI or high residual gas processes). These combustion processes are sensitive to residual gas and must be stabilized.

Die Brennkammer im Zylinder beinhaltet eine Luftmasse und eine Kraftstoffmasse als Gemisch zur Verbrennung. Zusätzlich ist bei jedem Verbrennungsvorgang auch ein sogenanntes Restgas - verbrannte Inertgase aus dem letzten Verbrennungsvorgang - vorhanden. Die Menge des Restgases hat einen starken Einfluss die Verbrennungsqualität, den Verbrauch, den Fahrkomfort und die Emissionen. Ein Restgasanteil in der Brennkammer kann aber nicht direkt im Auto bzw. am Prüfstand gemessen werden. Es kann damit mit herkömmlichen Diagnoseverfahren keine Diagnose auf Basis von Restgasinhalten gemacht werden. Auch Motorregelungen auf Basis des realen Restgasgehalts können bisher nicht sinnvoll umgesetzt werden.The combustion chamber in the cylinder contains a mass of air and a mass of fuel as a mixture for combustion. In addition, a so-called residual gas - burned inert gases from the last combustion process - is also present in every combustion process. The amount of residual gas has a strong influence on combustion quality, fuel consumption, driving comfort and emissions. However, a residual gas content in the combustion chamber cannot be measured directly in the car or on the test bench. It can go with it With conventional diagnostic methods, no diagnosis can be made on the basis of residual gas content. Even engine controls based on the real residual gas content cannot be implemented in a meaningful way.

Die Erfindung basiert nun unter anderem auf der Idee, einen realen Restgasanteil, 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 Restgasanteils 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 die ermittelten Restgasanteile gemäß einer Ausführung den Diagnosen und Regelungen in Echtzeit während des Motorbetriebs zur Verfügung gestellt.The invention is now based, among other things, on the idea of determining a real residual gas proportion, in particular when driving 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 residual gas proportion can be determined in order to to enable further diagnostic functionalities (onboard and/or offboard) and/or interventions in the engine control on this basis with the purpose of an optimized operation of the internal combustion engine. For this purpose, according to one embodiment, the determined residual gas fractions are made available to the diagnoses and controls in real time during engine operation.

Gemäß einer Ausführung erfolgt dazu:

(0) eine Einstellung eines Stationärbetriebspunkts im Verbrennungsmotor, d.h. insbesondere eine mittlere Drehzahl ist quasikonstant;
(1) während eines Diagnose-Zeitfensters eine Drehzahlerfassung der Kurbelwelle in Echtzeit und aus Drehzahlabfall in der Kompressionsphase, insbesondere mit einer Samplingzeit von ca. 1 ms oder weniger; aus dieser Drehzahlentwicklung wird ein diagnostischer Zylinderdruck für den Zylinder, der sich gerade in der Kompressionsphase befindet, ermittelt;
(2) eine Estimation der Zylindergaszusammensetzung insbesondere zum Restgasgehalt; dabei erfolgt eine Nutzung der idealen Gasgleichung mit geeigneten Annahmen zur Temperatur im Brennraum, zu bestimmten Kurbeltriebsgrößen und zum Zylindervolumen, und darüber eine Bilanzierung des Restgasgehalts;
(3) eine ständige Berechnung der Funktion aus (1) und (2) auf dem Motorsteuergerät in Echtzeit, insbesondere mit einer Samplingzeit von ca. 1 ms oder weniger;
(4) Ablage der unter (3) ermittelten aktuellen Restgasgehalte in einem nichtflüchtigem Speicher des Motorsteuergeräts zusammen mit Betriebspunktgrößen zur Zuordnung des Gesamtzustands;

According to one embodiment:

(0) setting a stationary operating point in the internal combustion engine, ie in particular an average speed is quasi-constant;
(1) During a diagnosis time window, a real-time speed detection of the crankshaft and from a speed drop in the compression phase, in particular with a sampling time of approximately 1 ms or less; A diagnostic cylinder pressure for the cylinder that is currently in the compression phase is determined from this speed development;
(2) an estimation of the cylinder gas composition, in particular the residual gas content; the ideal gas equation is used with suitable assumptions about the temperature in the combustion chamber, certain crank mechanism variables and the cylinder volume, and the residual gas content is then balanced;
(3) a continuous calculation of the function from (1) and (2) on the engine control unit in real time, in particular with a sampling time of approximately 1 ms or less;
(4) Storage of the current residual gas content determined under (3) in a non-volatile memory of the engine control unit together with operating point variables for assignment of the overall condition;

Anschließend erfolgt gemäß einer ergänzenden Ausführung:

(5a) eine Übergabe des Speicherinhalts aus (4) für weitere Online- (insbesondere Live-) Diagnosefunktionen auf dem Motorsteuergerät; und/oder
(5b) eine Übergabe des Speicherinhalts aus (4) für weitere Offline- (Werkstatt-Tester-) Diagnosefunktionen; und/oder
(5c) Übergabe des Speicherinhalts aus (4) für weitere Online- (Live-) Regelfunktionen auf dem Motorsteuergerät.

Then, according to an additional version:

(5a) a transfer of the memory content from (4) for further online (in particular live) diagnostic functions on the engine control unit; and or
(5b) a transfer of the memory content from (4) for further offline (workshop tester) diagnostic functions; and or
(5c) Transfer of the memory content from (4) for further online (live) control functions on the engine control unit.

Für die Ermittlung des Restgasgehalts wird gemäß einer Ausführung ein Diagnose-Zeitfenster in der Kompressionsphase eines Zylinders bestimmt, in der keine Wärmefreisetzung im Motor erfolgt, typischerweise zwischen 660° Kurbelwinkel und 690° 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 residual gas content, a diagnostic time window is determined in the compression phase of a cylinder in which no heat is released in the engine, typically between 660° crank angle and 690° crank angle (related to the ignition top dead center of the affected cylinder at 720 degrees); 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 changeover 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 Restgasanteil 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 Restgasanteil 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 residual gas content in the cylinder while driving in order to continuously monitor the performance of the internal combustion engine with special equipment without having to visit a workshop. To do this, it is necessary to derive the residual gas content in the cylinder using a characteristic variable of driving operation that can be determined frequently and continuously during driving operation, for example the speed development of the crankshaft, especially in the diagnostic 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 Ver combustion engine (intake, compression, work cycle, exhaust) overlap in time between the individual cylinders - they occur parallel to each other in different cylinders.

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 setzt sich aus Reibungsverlusten der Mechanik und der Kolbenbremsung durch die Gaskompression zusammen.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 is made up of friction losses in the mechanics and piston braking due to gas compression.

Wenn in diesem Zeitfenster genau derjenige Zylinder diagnostiziert wird, welcher sich gerade in seinem Kompressionstakt befindet, kann dessen Einfluss auf den Drehzahlverlauf am besten untersucht werden: denn in der Kompressionsphase hat ein Zylinder den größten Einfluss auf den Verlauf der Drehzahl, da er durch die Komprimierung der Gasfeder die Mechanik am stärksten bremst; deutlich stärker, als die anderen Takte bremsen.If exactly the cylinder that is currently in its compression stroke is diagnosed in this time window, its influence on the speed curve can best be examined: because in the compression phase, a cylinder has the greatest influence on the speed curve, since it is affected by the compression the gas spring brakes the mechanism the hardest; brakes significantly more than the other bars.

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 (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 Restgasanteil im Zylinder abzuleiten.With the speed detection, existing sensors (speed detection) with extended functions are used in particular. 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 the residual gas content in the cylinder.

Mit der Erfindung ergibt sich eine deutlich leichtere Ursachenfindung für Laufunruhe-Probleme inkl. Verbrennungsaussetzer, insbesondere durch eine Identifikation des Problems in der Gasfüllung (Ladungswechsel) oder einen Ausschluss des Luftpfades.The invention makes it much easier to find the cause of rough-running problems, including combustion misfires, in particular by identifying the problem in the gas filling (charge exchange) or by excluding the air path.

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.

Gemäß einer Ausführung ist vorgesehen das Ermitteln einer Temperatur im identifizierten Zylinder zu einem Diagnosezeitpunkt im Diagnose-Zeitfenster, und das Ermitteln des Restgasanteils in Abhängigkeit von der ermittelten Temperatur. Dadurch kann der Restgasgehalt über fluidphysikalische Zusammenhänge, insbesondere die ideale Gasgleichung 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 residual gas content as a function of the determined temperature. As a result, the residual gas content can be determined via fluid-physical relationships, in particular the ideal gas equation.

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 Restgasanteils, 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 residual gas content without causing too much falsification of the results.

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 Restgasanteil 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, to take into account the volume-related conditions of the cylinder, the residual gas content is determined as a function of a cylinder volume at a diagnosis time in (i.e. during) the diagnosis time window/s, 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 Restgasanteils auf im Fahrzeug 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 Restgasanteils in Abhängigkeit von dem ermittelten Verbrennungsluftverhältnis.In order to be able to trace the determination of the residual gas proportion to variables that are already present in the vehicle, one embodiment provides for the determination of a combustion air ratio in the identified cylinder at a diagnosis point in the diagnosis time window, and the determination of the residual gas proportion as a function of the determined combustion air ratio.

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. 1 ms oder kleiner, insbesondere laufend und/oder pausenlos, ermittelt wird. Insbesondere wird das Verbrennungsluftverhältnis in einer geringeren Samplingqualität ermittelt, insbesondere mit einer Samplingzeit von 0,5 oder 1 Sekunde oder größer, weil Lambdasonden aufgrund ihres Messprinzips (Abgleich Verbrennungsgas mit Referenzrestluftgehalt) keine stärker aufgelöste Samplingqualität ermöglichen.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. In particular, the combustion air ratio is determined with a lower sampling quality, in particular with a sampling time of 0.5 or 1 second or longer, because lambda probes do not allow a higher resolution sampling quality due to their measuring principle (comparison of combustion gas with reference residual air content).

Gemäß einer Ausführung wird, insbesondere vor und/oder während der Durchführung des Verfahrens, ermittelt, ob ein, zumindest quasi, stationärer Betrieb des Verbrennungsmotors vorliegt. Dadurch kann die zu grobe Auflösung der Messwerte der Lambdasonden (und/oder ggf. weiterer, verwendeter, nur grob auflösender Sensoren) kompensiert werden. Das ist bei den Messwerten der Lambdasonde für das Verbrennungsluftverhältnis insbesondere so, weil in einem (quasi) stationären Betrieb des Motors der Wert des Verbrennungsluftverhältnisses unverändert bleibt, und so nicht die Gefahr einer verfälschten Ermittlung des Restgasanteils besteht, weil „neueren“ Drehzahlwerten in der Berechnung „veraltete“ Lambda-Werte beigegeben werden.According to one embodiment, it is determined, in particular before and/or during the implementation of the method, whether the internal combustion engine is operating, at least as it were, in a steady state. In this way, the excessively coarse resolution of the measured values of the lambda probes (and/or other sensors used that only have a coarse resolution) can be compensated for. This is particularly the case with the measured values of the lambda probe for the combustion air ratio, because the value of the combustion air ratio remains unchanged in (quasi) stationary operation of the engine, and so there is no risk of a falsified determination of the residual gas proportion because "newer" speed values are used in the calculation "outdated" lambda values are added.

Um einen solchen Fall zu vermeiden, ist gemäß einer Ausführung vorgesehen, dass das Verfahren nur durchgeführt, wenn und/oder solange ein stationärer Betrieb ermittelt wird, und/oder, dass der ermittelte Restgasanteil nur gespeichert und/oder weiterverwendet wird, wenn und/oder solange ein stationärer Betrieb ermittelt wird.In order to avoid such a case, one embodiment provides that the method is only carried out if and/or as long as steady-state operation is determined and/or that the determined residual gas fraction is only stored and/or used further if and/or as long as stationary operation is determined.

Dann kann gemäß einer Ausführung der Restgasanteil im Stationärbetrieb des Verbrennungsmotors mit einer echtzeitfähigen Samplingqualität, insbesondere mit einer Samplingzeit von ca. 1 ms oder kleiner, ermittelt werden, wodurch die ermittelten Werte auch für Echtzeit-Regelungen über die Motorsteuerung in Abhängigkeit von den ermittelten Restgasanteilen verwendet werden können.According to one embodiment, the residual gas content can then be determined in stationary operation of the internal combustion engine with a real-time capable sampling quality, in particular with a sampling time of approx. 1 ms or less, whereby the values determined are also used for real-time regulations via the engine control depending on the residual gas content determined can become.

Gemäß einer Ausführung beinhaltet die Ermittlung des Restgasanteils, dass zur Ermittlung des Restgasanteils im Zylinder zum Diagnose-Zeitpunkt: (I) in Abhängigkeit von einer Drehzahlentwicklung im Diagnose-Zeitfenster eine Druckkennzahl für den Zylinder ermittelt wird, und/oder (II) insbesondere aus einem Kennfeld eine Temperatur des Gemischs im Zylinder für den vorliegenden Lastfall und die vorliegende mittlere Drehzahl ermittelt wird, und/oder (III) ein Verbrennungsluftverhältnis des dem Zylinder zuvor zugeführten Luft-Kraftstoffgemischs gemessen und/oder, insbesondere aus einem Kennfeld, ermittelt wird, und/oder (IV) eine relative Luftfüllung des Zylinders in Abhängigkeit von dem Lastfall des Zylinders, insbesondere aus einem Kennfeld, ermittelt wird und/oder (V) eine maximale Luftmasse im Zylinder bei Normbedingungen in Abhängigkeit von der Zylindergeometrie ermittelt wird.According to one embodiment, the determination of the residual gas content includes that, in order to determine the residual gas content in the cylinder at the time of diagnosis: (I) a pressure index for the cylinder is determined as a function of a speed development in the diagnosis time window, and/or (II) in particular from a characteristic map a temperature of the mixture in the cylinder is determined for the present load case and the present average speed, and/or (III) a combustion air ratio of the air-fuel mixture previously supplied to the cylinder is measured and/or, in particular from a characteristic map, is determined, and/ or (IV) a relative air filling of the cylinder is determined as a function of the load case of the cylinder, in particular from a map, and/or (V) a maximum air mass in the cylinder under standard conditions is determined as a function of the cylinder geometry.

Damit kann die Berechnung des Restgasanteils mit typischerweise in Kraftfahrzeugen zur Verfügung stehenden Größen in einfacher Weise ermittelt werden.In this way, the calculation of the proportion of residual gas can be determined in a simple manner using variables that are typically available in motor vehicles.

Gemäß einer Ausführung erfolgt zur weiteren Verarbeitung der ermittelten Restgasanteile 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 des Restgasgehalts ermittelten Betriebspunktgrößen, damit die Betriebssituation des Verbrennungsmotors zugeordnet werden kann.According to one embodiment, for further processing of the determined residual gas proportions, the determined residual gas content is stored, in particular regularly clocked, at the time of diagnosis in a non-volatile memory of an engine control unit of the internal combustion engine, in particular together with the operating point variables determined for determining the residual gas content, so that the operating situation of the internal combustion engine can be assigned can.

Gemäß einer Ausführung können die ermittelten und/oder im Speicher abgelegten Restgasanteile 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.

According to one embodiment, the residual gas components that are determined and/or stored in the memory can be transferred for further processing. According to one embodiment, the memory content is transferred, in particular regularly clocked

- 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.

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 start 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, 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 cycle, is then used as the charge exchange parameter.

Dazu ist es gemäß einer Ausführung ausreichend, eine Bilanzierung des Drehzahleinbruchs mit Hilfe mechanischer Gleichungen durchzuführen. Diese Bilanzierung erlaubt einen Rückschluss auf den Kompressionsdruck vor der Zündung. Der Kompressionsdruck steht in direktem Zusammenhang mit der Zylinderfüllung und damit der gefangenen Luftmasse im einzelnen Zylinder. Eine Abweichungserkennung kann damit Fehler der Laufunruhe auf den Ladungswechsel beziehen oder diesen als Ursache ausschließen.For this purpose, according to one embodiment, it is sufficient to balance the drop in rotational speed with the aid of mechanical equations. This balancing allows conclusions to be drawn about the compression pressure before ignition. The compression pressure is directly related to the cylinder filling and thus the trapped air mass in the individual cylinder. Deviation detection can thus relate errors in running roughness to the gas exchange or exclude this as the cause.

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, und basiert insbesondere auf einer Berechnung einer Druckkennzahl im Zylinder bei Kompression aus dem Drehzahlverlauf. Eine beispielhafte Anwendung ist im ersten Ausführungsbeispiel der Figurenbeschreibung dargestellt.This execution of an analytical method using a set of formulas in the time domain can be used particularly well from average engine load and up to average speeds, especially with smooth and constant speed curves, and is based in particular on a calculation of a pressure index in the cylinder during compression from the speed curve. 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,

1 a-c in schematischen Ansichten einen Verbrennungsmotor mit einer Einrichtung nach einer beispielhaften Ausführung der Erfindung, wobei in 1a die Einbauumgebung des Verbrennungsmotors, in 1b relevante Parameter sowie in 1c Drehmomentbeiträge an dem Kurbeltrieb des Verbrennungsmotors über die Zeit dargestellt sind;
2 ein Schaubild mit einem Diagramm einer Drehzahlentwicklung eines Arbeitszyklus des Verbrennungsmotors nach 1 und einer Darstellung der Takte der einzelnen Zylinder;
3 ein vergrößertes Detail aus dem Diagramm nach 2;
4 ein Schaubild mit einem Diagramm einer typischen Verteilung der verschiedenen Massenanteile der Gesamtmasse in einem zu diagnostizierenden Zylinder des Verbrennungsmotors nach 1 ;
5 ein Kennfeld einer Zylindertemperatur in dem zu diagnostizierenden Zylinder in Abhängigkeit von der Motorlast und der Motordrehzahl; und
6 ein Flussdiagramm verschiedener Möglichkeiten zur Nutzung der Information zu dem ermittelten Restgasanteil.

Further features, advantages and possible applications of the invention result from the following description in connection with the figures. Show it,

1ac in schematic views, an internal combustion engine with a device according to an exemplary embodiment of the invention, wherein in 1a the installation environment of the internal combustion engine, in 1b relevant parameters as well as in 1c 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 the internal combustion engine 1 and a representation of the strokes of the individual cylinders;
3 an enlarged detail from the diagram 2 ;
4 a diagram with a diagram of a typical distribution of the various mass fractions of the total mass in a cylinder of the internal combustion engine to be diagnosed 1 ;
5 a map of a cylinder temperature in the cylinder to be diagnosed as a function of engine load and engine speed; and
6 a flowchart of various options for using the information on the determined residual gas content.

In 1a ist ein Verbrennungsmotor 1 in seiner Einbauumgebung dargestellt, wobei der Verbrennungsmotor 1 im Ausführungsbeispiel ein Viertakter mit 4 Zylindern Z1, Z2, Z3 und Z4 ist.In 1a an internal combustion engine 1 is shown in its installation environment, the internal combustion engine 1 in the exemplary embodiment being a four-stroke engine with 4 cylinders Z1, Z2, Z3 and Z4.

In der Darstellung der 1a ist von der Einbauumgebung insbesondere das Ansaugsystem 9 mit dem Luftfilter LF am Lufteinlass, der Abgasturbolader ATL sowie eine Ladeluftkühlung und der Luftsammler LS zu den Zylindern Z hin gezeigt.In the representation of 1a shows the installation environment, in particular the intake system 9 with the air filter LF at the air inlet, the exhaust gas turbocharger ATL and an intercooler and the air collector LS towards the cylinders Z.

An dem Zylinder Z1 ist exemplarisch ein potentielles mechanisches Versagen R am Kolben und/oder an der Zylinderinnenwand signalisiert, welches potenziell zu einer stark erhöhten Reibung führen würde.A potential mechanical failure R on the piston and/or on the inner wall of the cylinder is signaled as an example on cylinder Z1, which would potentially lead to greatly increased friction.

In 1b ist der Verbrennungsmotor 1 in einer detaillierteren Schemaansicht dargestellt. Der Verbrennungsmotor 1 weist die Zylinder Z1, Z2, Z3 und Z4 auf, wobei alle Zylinder Z ihren Drehmomentbeitrag M an dem Kurbeltrieb KT bereitstellen der Verbrennungsmotor 1 weist zusätzlich eine Einrichtung 2 nach einer beispielhaften Ausführung der Erfindung auf, die eine Recheneinheit 4, eine Drehzahl-Erfassungseinheit 6 sowie eine Zylinderdruck-Ermittlungseinheit 7 für die Referenzdrücke aus Umgebung und Luftsammler bzw. Kurbelgehäuse aufweist. Die Recheneinheit 4 weist zudem eine Zylindervolumen-Ermittlungseinheit und eine Zylindertemperatur-Ermittlungseinheit und kann auf Messwerte aller Lambdasonden des Verbrennungsmotors zugreifen.In 1b the internal combustion engine 1 is shown in a more detailed schematic view. The internal combustion engine 1 has the cylinders Z1, Z2, Z3 and Z4, with all cylinders Z providing their torque contribution M to the crank mechanism KT. The internal combustion engine 1 also has a device 2 of an exemplary embodiment of the invention, which has a computing unit 4, a speed detection unit 6 and a cylinder pressure determination unit 7 for the reference pressures from the environment and air collector or crankcase. The computing unit 4 also has a cylinder volume determination unit and a cylinder temperature determination unit and can access measured values from all lambda probes of the internal combustion engine.

Der 1b ist unter anderem zu entnehmen, dass in Abhängigkeit von dem jeweiligen Zylinderdruck p jeder Zylinder Z zyklisch einen Drehmomentbeitrag M an den Kurbeltrieb KT anlegen kann. Die Gesamtheit der Drehmomentbeiträge resultiert in einer zeitlich veränderlichen Drehzahl n einer Kurbelwelle des Kurbeltriebs KT.the 1b It can be seen, among other things, that depending on the respective cylinder pressure p, each cylinder Z can cyclically apply a torque contribution M to the crank mechanism KT. The totality of the torque contributions results in a rotational speed n of a crankshaft of the crank mechanism KT that varies over time.

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 device 2 by means of the pressure detection unit 7 , the instantaneous speed n by means of the speed detection unit 6 and the arithmetic unit 4 .

In 1c ist ein Diagramm einer Drehmomententwicklung 100 mit einem exemplarischen Drehmomentverlauf 10 am Kurbeltrieb KT bei Normalbetrieb über den Kurbelwinkel KW dargestellt. Ersichtlich ist, dass der Drehmomentbeitrag M alternierend von unterschiedlichen Zylindern Z kommt. In der Darstellung ist ein Drehmoment-Grenzwert 14 eingezeichnet, der insbesondere willkürlich festgelegt ist und bestimmt, unterhalb welches Drehmoments ein Drehmomentbeitrag eines Zylinders als unwesentlich gilt, sodass dann ein Drehmomentloch im Sinne der Erfindung vorliegt. Folglich kann ein Drehmomentloch 12 im Sinne der Erfindung identifiziert werden, wenn zu einem bestimmten Zeitintervall die Drehmomentbeiträge jedes Zylinders unterhalb des Grenzwerts 14 sind.In 1c a diagram of a torque development 100 with an exemplary torque curve 10 on the crank drive KT during normal operation over the crank angle KW is shown. It can be seen that the torque contribution M comes from different cylinders Z in alternation. A torque limit value 14 is drawn in the illustration, which is set arbitrarily and determines below which torque a torque contribution of a cylinder is considered insignificant, so that there is then a torque gap within the meaning of the invention. Consequently, a torque hole 12 according to the invention can be identified if the torque contributions of each cylinder are below the limit value 14 at a certain time interval.

In der Darstellung der 1 c ergeben sich leicht unterschiedlich lange Drehmomentlöcher 12.1, 12.2, 12.3 und 12.4. Innerhalb dieser Drehmomentlöcher 12 kann insbesondere jeweils ein Diagnose-Zeitfenster 112 festgelegt werden, dass auch den gesamten Zeitraum des Drehmomentlochs umfassen kann (aber nicht muss). Der Endzeitpunkt des Diagnose-Zeitfensters 112 kann insbesondere durch den Zündzeitpunkt bzw. den Zeitpunkt einer ersten merklichen Wärmefreisetzung nach Kompression bestimmt sein.In the representation of 1 c torque holes 12.1, 12.2, 12.3 and 12.4 of slightly different lengths result. In particular, a diagnosis time window 112 can be defined within each of these torque gaps 12, which can (but does not have to) include the entire period of the torque gap. The end time of the diagnosis time window 112 can be determined in particular by the ignition time or the time of a first noticeable release of heat after compression.

Die 2 bis 6 erläutern ein Ausführungsbeispiel erfindungsgemäßer Verfahren zur Ermittlung eines Restgasanteils X in einem Zylinder Z eines Verbrennungsmotors 1 im Fahrbetrieb mit Hilfe der Kurbelwellendrehzahl n des Kurbelwellentriebs KT. Im folgenden Absatz ist das im Ausführungsbeispiel durchgeführte Verfahren zunächst zusammenfassend beschrieben:

Im Ausführungsbeispiel liegt ein Fahrbetrieb des Fahrzeugs vor, insbesondere ein Stationärbetrieb des Verbrennungsmotors 1. Eine Live-Motorsteuerungs-Funktion 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. 1-3.

the 2 until 6 explain an exemplary embodiment of the method according to the invention for determining a residual gas content X in a cylinder Z of an internal combustion engine 1 while driving with the aid of the crankshaft speed n of the crankshaft drive KT. In the following paragraph, the method carried out in the exemplary embodiment is initially described in summary:

In the exemplary embodiment, the vehicle is being driven, in particular a stationary operation of the internal combustion engine 1. During driving, a live engine control function continuously reads speed values n for the crankshaft KT (due to friction delay, in a compression phase of a cylinder, there is an increased drop in speed from one to one to be expected at the following point in time) and determines a speed development from this - cf. 1-3 .

Der Restgasanteil x 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 einer Phase stationären Betriebs des Verbrennungsmotors ermittelt 1, sprich in einem Zeitfenster, in welchem sich weder der Lastfall, noch die mittlere Drehzahl oder die Zusammensetzung des Luft-KraftstoffGemisches beim Betrieb des Zylinders Z1 in relevantem Umfang ändert.The residual gas portion x is determined in the cylinder Z1 during the diagnosis time window 112 as a function of the determined speed development 101 and of a temperature T in the identified cylinder Z1 at a diagnosis point in time P2 in the diagnosis time window 112 . The speed development 101 is determined with real-time sampling quality during a phase of stationary operation of the internal combustion engine 1, i.e. in a time window in which neither the load case nor the average speed or the composition of the air-fuel mixture changes to a relevant extent when cylinder Z1 is in operation .

Dazu wird die ideale Gasgleichung für die Verhältnisse im diagnostizierten Zylinder Z1 für den Diagnosezeitpunkt P2 aufgestellt und nach einem Massenanteil m_Restgas des Restgases aufgelöst (zu den Masseanteilen m_Luft, m_Kraftstoff und m_Restgas an der Gesamtmasse m_tot im Zylinder siehe 4). Um die Variablen dieser Berechnung zu ermitteln, wird in Abhängigkeit von der Drehzahlentwicklung 101 im Diagnose-Zeitfenster 112 eine Druckkennzahl p_diag,Z für den Zylinder Z1 ermittelt. Aus einem Kennfeld wird eine Temperatur des Gemischs (Kraftstoff + Luft + Restgas) im Zylinder für den vorliegenden Lastfall und die vorliegende mittlere Drehzahl ermittelt (vergleiche dazu 5). Ein Verbrennungsluftverhältnis λ des dem Zylinder Z1 zuvor zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemischs wird gemessen und/oder aus einem Kennfeld ermittelt. Eine relative Luftfüllung rf des Zylinders Z1 in Abhängigkeit von dem Lastfall des Zylinders wird aus einem Kennfeld ermittelt wird. Für Normbedingungen (Atmosphärendruck, 20°C) wird in Abhängigkeit von der Zylindergeometrie eine maximale Luftmasse m₀ im Zylinder ermittelt.For this purpose, the ideal gas equation for the conditions in the diagnosed cylinder Z1 for the diagnosis point in time P2 is set up and solved for a mass fraction m _{residual gas} of the residual gas (for the mass fractions m _air , m _fuel and m _{residual gas} in the total mass m _tot in the cylinder, see 4 ). In order to determine the variables of this calculation, a pressure index p _diag,Z for the cylinder Z1 is determined as a function of the speed development 101 in the diagnosis time window 112 . A temperature of the mixture (fuel + air + residual gas) in the cylinder for the present load case and the present average speed is determined from a map (compare 5 ). A combustion air ratio λ of the air-fuel mixture previously supplied to the cylinder Z1 is measured and/or determined from a characteristic map. A relative air charge rf of the cylinder Z1 as a function of the load case of the cylinder is determined from a characteristic diagram. A maximum air mass m ₀ in the cylinder is determined for standard conditions (atmospheric pressure, 20° C.) depending on the cylinder geometry.

Der ermittelte Restgasanteil x und ggf. auch andere, in schneller Folge früher oder später ermittelte Restgasanteile dieses oder anderer Zylinder Z werden in einem nicht-flüchtigen Speicher der Einrichtung 2 im Steuergerät hinterlegt und für weitere Diagnoseschritte und/oder Regelungs- bzw. Steuerungsaufgaben, ggf. in Echtzeit, zugänglich gemacht.The determined residual gas fraction x and possibly also other residual gas fractions of this or other cylinders Z determined sooner or later in quick succession are stored in a non-volatile memory of device 2 in the control unit and are used for further diagnostic steps and/or regulation or control tasks, if necessary .in real time, made accessible.

Nachfolgend ist die Ermittlung des Restgasanteils mit detaillierten Schritten beispielhaft für den Zylinder Z1 dargestellt.The determination of the residual gas percentage 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 diagnosis time window 112 is determined for one, several or all cylinders.

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 R 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 R 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 diagnosis time window 112 is then identified.

In 2 ist eine Skizze eines beispielhaften Diagramms 100 einer Drehzahlentwicklung 101 eines Viertakter-Zyklus (= ein Arbeitsspiel (ASP): oberer Totpunkt Ladungswechsel (LOT) → Einlass → unterer Totpunkt (UT) → Verdichtung → oberer Totpunkt Zündung (ZOT) → Expandieren → UT → Auslass) des Verbrennungsmotors 1 dargestellt.In 2 is a sketch of an exemplary diagram 100 of a speed development 101 of a four-stroke cycle (= one working cycle (ASP): top dead center gas exchange (LOT) → intake → bottom dead center (UT) → compression → top dead center ignition (ZOT) → expand → UT → Outlet) of the internal combustion engine 1 shown.

Das Ablaufdiagramm 100 zeigt den Verlauf 101 der Motordrehzahl n über ein Arbeitsspiel (ASP) eines 4-Zylinder-Ottomotor. 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 phys. Zylinder Z1-Z4 abgebildet.Flowchart 100 shows curve 101 of engine speed n over one working cycle (ASP) of a 4-cylinder gasoline engine. The ignition times (ZZP) and an exemplary possible diagnosis time window 112 for the cylinder Z1 to be diagnosed in the compression are marked. The associated work cycles of the physical cylinders Z1-Z4 are shown below.

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 1c).This example of a four-cylinder shows which area 112 of the crank angle scale can be used for gas exchange diagnosis. The diagnosis time window 112 for the cylinder Z1 to be diagnosed lies at the end of compression, directly before the ignition of the mixture; for cylinder Z3 at the end of the intake stroke; for cylinder Z4 at the end of the exhaust stroke; and for cylinder Z2 at the end of the power stroke, with no relevant torque being released in any of the cylinders Z (cf. limit value 14 in 1c ).

Das Diagnose-Zeitfenster 112 muss insbesondere so gewählt werden, dass der letzte Arbeit leistende Zylinder keine Beschleunigung der Kurbelwelle mehr erzielt und der nächste Arbeit leistende Zylinder noch nicht gezündet hat.In particular, the diagnosis time window 112 must be selected in such a way that the last cylinder performing work no longer accelerates the crankshaft and the next cylinder performing work has not yet ignited.

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 muss 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 diagnosis time window 112 are: 1) no dominant release of heat (differential build-up of torque disappears since before ignition in the compression or after the pressure pulse in the working cycle); and/or 2) exhaust valve open (otherwise the piston brake must be included); and/or 3) Intake valve open & de-throttled (VVT), otherwise the piston brake must be taken into account by throttling and gas spring.

Beispielhaft ist in dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 das Diagnosezeitfenster 112 für Zylinder Z1 von 30° vor ZZP1 bis ZZP1 definiert (bzgl. dem Kurbelwinkel KW). Die Grenzen sind abhängig von einem anliegenden Motorbetriebspunkt und können flexibel auf diesen adaptiert werden, sofern die im vorigen Absatz genannten Grundvoraussetzungen 1-3 nicht verletzt werden. Die dynamische Anpassung der Grenzen des Diagnosezeitfensters 112 ist auch für den dynamischen Fahrbetrieb in Abhängigkeit von Randbedingungen wie einem Zündwinkel und dem Zylinderdruckverlauf möglich.In the embodiment according to FIG 1 the diagnosis time window 112 for cylinder Z1 is defined from 30° before ZZP1 to ZZP1 (regarding the crank angle KW). The limits depend on an existing engine operating point and can be flexibly adapted to this, provided that the basic requirements 1-3 mentioned in the previous paragraph are not violated. The dynamic adjustment of the limits of the diagnosis time window 112 is also possible for dynamic driving depending on boundary conditions such as an ignition angle and the cylinder pressure curve.

Im Ausführungsbeispiel wird daher das Diagnose-Zeitfenster 112 festgelegt zu: 660°KW - 690°KW, bezogen auf eine Kurbelwinkelangabe des Zylinders Z1. In der Darstellung der 1c und 2 - die sich auf den gesamten Verbrennungsmotor mit vier Zylindern bezieht, entspricht dieser Kurbelwinkelwert -60° bis -30° vor oberem Totpunkt der Zündung (ZOT). Nachfolgend ist nur von 660°KW - 690°KW die Rede.In the exemplary embodiment, the diagnosis time window 112 is therefore defined as: 660° CA - 690° CA, based on a crank angle specification for cylinder Z1. In the representation of 1c and 2 - which refers to the entire internal combustion engine with four cylinders, this crank angle value corresponds to -60° to -30° before top dead center of ignition (TDC). In the following, only 660°KW - 690°KW is mentioned.

Ein Diagnosezeitpunkt 113 innerhalb des Diagnose-Zeitfensters 112 wird bestimmt zu 690°KW. Für diesen Zeitpunkt wird beispielsweise die Zylindertemperatur berechnet. Für die Ermittlung des diagnostischen Zylinderdrucks aus der Drehzahlentwicklung wird hingegen ein Zeitfenster wie das Diagnose-Zeitfenster 112 benötigt, weil die Ermittlung auf einer Differenzbetrachtung fußt.A diagnosis point in time 113 within the diagnosis time window 112 is determined at 690° CA. The cylinder temperature, for example, is calculated for this point in time. In contrast, a time window such as diagnostic time window 112 is required for determining the diagnostic cylinder pressure from the speed development, because the determination is based on a difference consideration.

Die Ermittlung des Restgasanteils x im Zylinder Z1 erfolgt grundlegend über die ideale Gasgleichung, die im Zylinder, zumindest näherungsweise, Anwendung finden kann: $p \cdot V = m \cdot R \cdot T$

Formelzeichen Bedeutung

p Druck, insbesondere der diagnostische Zylinderdruck p_zyl,diag V aktuelles Zylindervolumen m Gasmasse (insbesondere der Gesamtmenge aus Luft, Kraftstoff und Restgasanteilen) R ideale Gaskonstante T mittlere Temperatur des Gasgemischs

The determination of the residual gas content x in the cylinder Z1 is based on the ideal gas equation, which can be used in the cylinder, at least approximately:

p \cdot V = m \cdot R \cdot T

symbol importance

p Pressure, in particular the diagnostic cylinder pressure p _cyl,diag V current cylinder volume m Gas mass (in particular the total amount of air, fuel and residual gas shares) R ideal gas constant T mean temperature of the gas mixture

Dabei ergibt sich die Zusammensetzung der gesamten Gasmasse wie folgt: $m = m_{t o t} = m_{L u f t} + m_{K r a f t s t o f f} + m_{R e s t g a s}$

m_{R e s t g a s} = m_{t o t} - m_{L u f t} + m_{K r a f t s t o f f}

The composition of the entire gas mass is as follows:

m = m_{t O t} = m_{L and f t} + m_{K right a f t s t O f f} + m_{R e s t G a s}

m_{R e s t G a s} = m_{t O t} - m_{L and f t} + m_{K right a f t s t O f f}

Gleichung (1) nach m_tot aufgelöst und in Gleichung (3) eingesetzt ergibt: $m_{R e s t g a s} = \frac{p \cdot V}{R \cdot T} - m_{L u f t} + m_{K r a f t s t o f f}$

Der Zusammenhang zwischen der Luftmasse m_Luft und der Kraftstoffmasse m_Kraftstoff ergibt sich aus dem Verbrennungsluftverhältnis λ, das insbesondere mittels im Fahrzeug ohnehin bereitgestellten Lambdasonden ermittelt werden kann, sowie dem Kraftstoff-spezifischen Kraftstoff-Luft-Verhältnis Lst für eine stöchiometrische Verbrennung:

m_{K r a f t s t o f f} = \frac{m_{L u f t}}{λ \cdot L_{s t}}

Formelzeichen Bedeutung

λ Verbrennungsluftverhältnis (<1 = „fett“, 1 = stöchiometrisch, >1 = „mager“) L_St kraftstoffabhängige chemische Konstante, sog. stöchiometrische Kraftstoff-Luft-Verhältnis, typisch zwischen 14-16kg/kg, kann bei Diesel und Ottokraftstoff jeweils mit 15kg/kg genähert werden

Equation (1) solved for m _tot and inserted into equation (3) gives:

m_{R e s t G a s} = \frac{p \cdot V}{R \cdot T} - m_{L and f t} + m_{K right a f t s t O f f}

The relationship between the air mass m _air and the fuel mass m _fuel results from the combustion air ratio λ, which can be determined in particular using lambda sensors that are already provided in the vehicle, and the fuel-specific fuel-air ratio Lst for stoichiometric combustion:

m_{K right a f t s t O f f} = \frac{m_{L and f t}}{λ \cdot L_{s t}}

symbol importance

λ Combustion air ratio (<1 = "rich", 1 = stoichiometric, >1 = "lean") L _St Fuel-dependent chemical constant, so-called stoichiometric fuel-air ratio, typically between 14-16kg/kg, can be approximated with 15kg/kg for diesel and petrol

Gleichung (5) in Gleichung (4) eingesetzt ergibt: $m_{R e s t g a s} = \frac{p \cdot V}{R \cdot T} - m_{L u f t} \cdot (1 + \frac{1}{λ \cdot L_{s t}})$

Equation (5) inserted into equation (4) gives:

m_{R e s t G a s} = \frac{p \cdot V}{R \cdot T} - m_{L and f t} \cdot (1 + \frac{1}{λ \cdot L_{s t}})

Die Luftmasse lässt sich näherungsweise substituieren, indem typischerweise vorliegende Motorsteuerungsgrößen verwendet werden. Dementsprechend wird die aktuelle Luftmasse im Zylinder Z1 zum Zwecke der korrekten Kraftstoffbeimengung in der Motorsteuerung geschätzt. Die in modernen Motorsteuerungen dafür bereits vorhandene Funktion dafür ist die sog. Lasterfassung. Sie schätzt eine relative Füllung „rf“ in Prozent. Die Füllung rf ist mit 100% definiert, wenn das max. Zylindervolumen bei Normbedingungen komplett mit Luft gefüllt wäre. $m_{L u f t} = r f \cdot \frac{p_{0} \cdot V_{m a x}}{R \cdot T_{0}}$

Formelzeichen Bedeutung

rf relative Luftfüllung des Zylinders in % p ₀ Atmosphärendruck unter Normbedingungen (1013hPa) V _max maximales Zylindervolumen im unteren Totpunkt der Kurbelwelle R ideale Gaskonstante T ₀ Umgebungstemperatur unter Normbedingungen (293K)

The air mass can be approximately substituted by using typically existing engine control parameters. Accordingly, the current air mass in cylinder Z1 is estimated for the purpose of correct fuel admixture in the engine control. The function already available for this in modern engine controls is the so-called load detection. It estimates a relative filling "rf" in percent. The filling rf is defined as 100% if the max. cylinder volume were completely filled with air under standard conditions.

m_{L and f t} = right f \cdot \frac{p_{0} \cdot V_{m a x}}{R \cdot T_{0}}

symbol importance

rf relative air filling of the cylinder in % p0 _{_} Atmospheric pressure under standard conditions (1013hPa) max _{_} maximum cylinder volume at bottom dead center of the crankshaft R ideal gas constant T ₀ Ambient temperature under standard conditions (293K)

Der zu ermittelnde relative Restgasgehalt x (= Restgasanteil) wird festgelegt zu: $x = \frac{m_{R e s t g a s}}{m_{t o t}}$

The relative residual gas content x (= residual gas content) to be determined is defined as:

x = \frac{m_{R e s t G a s}}{m_{t O t}}

Ein Einsetzen der Gleichungen (6), (7) und (1) in die Gleichung (8) verbunden mit der Annahme einer zumindest näherungsweise (und damit ausreichend) konstant bleibenden idealen Gaskonstanten R definiert den Restgasanteil x im Zylinder Z1 zu: $x = 1 - r f \cdot (1 + \frac{1}{λ \cdot L_{s t}}) \cdot \frac{p_{0} \cdot V_{m a x}}{T_{0} \cdot V} \cdot \frac{T}{p}$

Inserting equations (6), (7) and (1) into equation (8) combined with the assumption of an ideal gas constant R that remains at least approximately (and thus sufficiently) constant defines the residual gas content x in cylinder Z1 as:

x = 1 - right f \cdot (1 + \frac{1}{λ \cdot L_{s t}}) \cdot \frac{p_{0} \cdot V_{m a x}}{T} \cdot \frac{T}{p}

Gleichung (9) ist damit die Bestimmungsgleichung für den Restgas-Massenanteil x im Zylinder Z1 des Verbrennungsmotors. Die Gleichung kann noch weiter vereinfacht und insbesondere auf Motorgrößen zurückgeführt werden, was eine umfassendere Ermittlung des Restgasanteils x in Echtzeit ermöglicht.Equation (9) is therefore the conditional equation for the residual gas mass fraction x in the cylinder Z1 of the internal combustion engine. The equation can be further simplified and, in particular, traced back to engine sizes, which enables a more comprehensive determination of the residual gas fraction x in real time.

Dabei kann die relative Zylinderfüllung rf der vorhandenen Lasterfassungs-Funktion entnommen werden, insbesondere aus einem vorbefüllten Kennfeld. Das Verbrennungsluftverhältnis wird mit einer Updatefrequenz von ca. einer Sekunde durch die Lambasonde/n bereitgestellt. Wegen dieser langen Samplingzeit wird das beispielhafte Verfahren nur in quasi-stätionären Betriebsfällen des Verbrennungsmotors durchgeführt, weil sonst hochaufgelöst erfasste Größen wie die Kurbelwellendrehzahl mit „veralteten“ Lambda-Werten verrechnet würden.The relative cylinder filling rf can be taken from the existing load detection function, in particular from a pre-filled characteristic map. The combustion air ratio is provided by the lamba sensor(s) with an update frequency of approx. one second. Due to this long sampling time, the exemplary method is only carried out in quasi-stationary operating cases of the internal combustion engine, because otherwise variables recorded with high resolution, such as the crankshaft speed, would be offset against "outdated" lambda values.

Ferner können in Gleichung (9) ausreichende genaue Annahmen bezüglich konstanter physikalisch-chemischer Größen getroffen werden: das stöchiometrische Kraftstoff-Luft-Verhältnis Lst kann für Diesel und Otto-Kraftstoff mit 15 genähert werden (oder im Bereich 14-16 vergeben werden, je nach Qualität); der Druck p₀ ist der Atmosphärendruck unter Normbedingungen (also 1013hPa); die Temperatur T₀ wird zu Normbedingungen angesetzt, also mit 20°C = 293K; das maximale Zylindervolumen Vmax lässt sich aus geometrischen Betrachtungen des Kurbeltriebs ermitteln; das Zylindervolumen V = f(KW) = V(P2) = V_690° lässt sich ebenfalls aus geometrischen Betrachtungen des Kurbeltriebs ermitteln.Furthermore, sufficiently precise assumptions can be made in equation (9) with regard to constant physico-chemical quantities: the stoichiometric fuel-air ratio Lst can be approximated to 15 for diesel and Otto fuel (or assigned in the range 14-16, depending on Quality); the pressure p ₀ is the atmospheric pressure under standard conditions (i.e. 1013hPa); the temperature T ₀ is set to standard conditions, i.e. with 20°C = 293K; the maximum cylinder volume Vmax can be determined from geometric considerations of the crank mechanism; the cylinder volume V = f(KW) = V(P2) = V _690° can also be determined from geometric considerations of the crank mechanism.

Damit kann eine Konstante K₀ in die Ermittlung eingeführt werden: $K_{0} = \frac{p_{0} \cdot V_{m a x}}{T_{0} \cdot V_{690}}$

A constant K ₀ can thus be introduced into the determination:

K_{0} = \frac{p_{0} \cdot V_{m a x}}{T}

Einsetzen von Gleichung (10) in (9) ergibt: $x = 1 - r f \cdot (1 + \frac{1}{λ \cdot L_{s t}}) \cdot K_{0} \cdot \frac{T}{p_{z y l, d i a g}}$

Inserting equation (10) into (9) gives:

x = 1 - right f \cdot (1 + \frac{1}{λ \cdot L_{s t}}) \cdot K_{0} \cdot \frac{T}{p_{e.g y l, i.e i a G}}

In Gleichung (11) sind nun alle Werte für die Restgasermittlung bekannt, außer die Temperatur T = f(KW) = T(P2) = T_690°. und der Druck p = f([P1;P2]) = P_{zyl,diag,660-690}.In Equation (11), all values for determining the residual gas are now known, except for the temperature T = f(KW) = T(P2) = T _690° . and the pressure p = f([P1;P2]) = P _{cyl,diag,660-690} .

Die Temperatur zum Ermittlungszeitpunkt (P2 = ZZP1) von P_{zyl,diag,660-690}und V_690° kann entweder als konstant geschätzt werden (z.B. T690 = 600K) oder -wie im Ausführungsbeispiel - einem vorberechnetem Kennfeld (siehe 5) entnommen werden. Solche Kennfelder können mit Hilfe von Ladungswechselrechnungen abseits des Steuergeräts vorab erstellt und danach im Steuergerät für Live-Berechnungen zur Verfügung gestellt werden.The temperature at the time of determination (P2 = ZZP1) of P _{zyl,diag,660-690} and V _690° can either be estimated as constant (e.g. T690 = 600K) or - as in the exemplary embodiment - a pre-calculated map (see 5 ) can be removed. Such maps can be created in advance with the help of gas exchange calculations away from the control unit and then made available in the control unit for live calculations.

Ein beispielhaftes Kennfeld für T_690° an einem Vierzylindermotor ist in 5 dargestellt. Damit muss zur Auflösung der nachfolgenden Gleichung $x = 1 - r f \cdot (1 + \frac{1}{λ \cdot L_{s t}}) \cdot K_{0} \cdot \frac{T_{690}}{p_{z y l, d i a g,660 - 690}}$

noch der diagnostische Zylinderdruck P_{zyl,diag,660-690} ermittelt werden, um aus dem hochaufgelösten Drehzahlsignal 101 des Verbrennungsmotors 1 den Restgasgehalt x im Betrieb zu schätzen.An example map for T _690° on a four-cylinder engine is in 5 shown. This means that the following equation has to be solved

x = 1 - right f \cdot (1 + \frac{1}{λ \cdot L_{s t}}) \cdot K_{0} \cdot \frac{T_{690}}{p_{e.g y l, i.e i a G,660 - 690}}

nor the diagnostic cylinder pressure P _{zyl,diag,660-690} be determined in order to estimate the residual gas content x during operation from the high-resolution speed signal 101 of the internal combustion engine 1.

Wie dies möglich ist, kann der nachfolgenden Beschreibung zu den Gleichungen (13) - (28) entnommen werden, wobei φ₁ dem Kurbelwinkel KW=660° von P1 und φ₂ dem Kurbelwinkel KW=690° von P2 entspricht, und p_zyl,diag = P_{zyl,diag,660-690} gilt.How this is possible can be seen from the following description of equations (13) - (28), where φ ₁ corresponds to the crank angle KW=660° of P1 and φ ₂ corresponds to the crank angle KW=690° of P2, and p _{zyl, diag} = P _{cyl,diag,660-690} applies.

Die Ermittlung basiert auf einer Druckbilanzierung des diagnostizierten Zylinders auf Basis des gemessenen Drehzahlverlaufs: $\frac{d}{d t} (\frac{1}{2} \cdot J_{0} \cdot ω^{2}) = (M_{t a n} - M_{R} - M_{L}) \cdot ω$

Formelzeichen Bedeutung

J₀, J Allg. / anteiliges Massenträgheitsmoment φ Winkelstellung der Kurbelwelle ω Winkelgeschwindigkeit M_tan Moment durch Gaskraft im Zylinder und oszillierender Massenkraft M_R Moment durch Reibungsverluste M_L Moment durch Lastabnahme M_M Anteiliges Moment durch rotatorische Massenträgheit n_mot Aktuell anliegende Motordrehzahl

The determination is based on a pressure balance of the diagnosed cylinder based on the measured speed curve:

\frac{i.e}{i.e t} (\frac{1}{2} \cdot J_{0} \cdot ω^{2}) = (M_{t a n} - M_{R} - M_{L}) \cdot ω

symbol importance

J ₀ , J General / proportional mass moment of inertia φ Angular position of the crankshaft ω angular velocity M _tan Moment due to gas force in the cylinder and oscillating mass force _MR moment due to friction losses M _L moment due to load reduction M _M Partial moment due to rotational mass inertia n _engine Current engine speed

Durch Differentation, Substitution und Einführung eines Massenmoments (Aufteilung der Trägheitsanteile) ergibt sich die Gleichung: $J \cdot \dot{ω} = \sum_{i} M_{i} = M_{t a n} - M_{R} - M_{L} - M_{M}$

Teilt man die Gleichung sinnvoll auf in einen „Gleichanteil“ und einen „Wechselanteil“ so erhält man folgende Subgleichungen:
„Gleichanteil“:

\bar{M_{t a n}} = \bar{M_{R}} - \bar{M_{L}}

Die Bilanzierung des Gleichanteils geht von einem stationären Betriebspunkt aus. Das mittlere bereitgestellte Moment hält die mittlere Drehzahl konstant, weil es korrespondiert mit den Momentenforderungen aus Last und Reibung.
„Wechselanteil“:

J \cdot \dot{ω} = \tilde{M_{t a n}} - \tilde{M_{R}} - \tilde{M_{M}}

Differentiation, substitution and introduction of a moment of inertia (distribution of the inertia components) results in the equation:

J \cdot \dot{ω} = \sum_{i} M_{i} = M_{t a n} - M_{R} - M_{L} - M_{M}

If the equation is meaningfully divided into a "direct component" and an "alternating component", the following sub-equations are obtained:
"Constant proportion":

\bar{M_{t a n}} = \bar{M_{R}} - \bar{M_{L}}

The balancing of the direct component is based on a stationary operating point. The average torque provided keeps the average speed constant because it corresponds to the torque requirements from load and friction.
“Change share”:

J \cdot \dot{ω} = \tilde{M_{t a n}} - \tilde{M_{R}} - \tilde{M_{M}}

Eine Umwandlung von zeitbasierter Ableitung zur kurbelwinkelbasierter Differenzenbildung erfolgt mit Hilfe des Zusammenhangs $\begin{array}{l} ω = \frac{d φ}{d t} = π \cdot \frac{n_{m o t}}{30} per \\ \dot{ω} \approx {(\frac{π}{30})}^{2} \cdot n m o t \cdot \frac{Δ n m o t}{Δ φ} \end{array}$

A conversion from time-based derivation to crank angle-based difference formation takes place with the help of the relationship

\begin{array}{l} ω = \frac{i.e φ}{i.e t} = π \cdot \frac{n_{m O t}}{30} by \\ \dot{ω} \approx {(\frac{π}{30})}^{2} \cdot n m O t \cdot \frac{Δ n m O t}{Δ φ} \end{array}

Die entscheidenden Größen aus Gleichung (13) werden für die Auswertung weiter detailliert. Der Zusammenhang für das resultierende Moment aus der innerzylindrischen Gaskraft und der ergibt sich zu: $\tilde{M_{t a n}} = [A_{K} \cdot [p_{z y l} (φ) - p_{0}] - m_{o s z} \cdot \ddot{s} (φ)] \cdot r_{K} \cdot \frac{sin (φ + β)}{cos β}$

Formelzeichen Bedeutung

A_K Kolbendeckfläche = const. r_K Wirkradius der Kurbelwelle entspricht halben Hub = const. l_Pl Pleuellänge = const. m_osz Oszillatorische Massenteil entspricht Kolbenbaugruppe und anteiliger Pleuelmasse = const. p_zyl Im Zylinder vorherrschender Druck p₀ Referenzdruck, Kurbelgehäusedruck β(φ) Pleuelschwenkwinkel in Abhängigkeit der Kurbelwinkelstellung s̈(φ) Kolbenbeschleunigung in Abhängigkeit von der Kolbenstellung

The decisive variables from equation (13) are further detailed for the evaluation. The relationship for the resulting moment from the inner-cylindrical gas force and results in:

\tilde{M_{t a n}} = [A_{K} \cdot [p_{e.g y l} (φ) - p_{0}] - m_{O s e.g} \cdot \ddot{s} (φ)] \cdot {right}_{K} \cdot \frac{sin (φ + β)}{cos β}

symbol importance

A _K Piston top area = const. r _K Effective radius of the crankshaft corresponds to half the stroke = const. l _pl connecting rod length = const. m _osc Oscillatory mass part corresponds to piston assembly and proportionate connecting rod mass = const. p _cyl Pressure prevailing in the cylinder _p0 Reference pressure, crankcase pressure β(φ) Connecting rod swivel angle depending on the crank angle position s̈(φ) Piston acceleration as a function of piston position

Eine weitere Detaillierung der variablen Faktoren aus Gleichung (15) ergibt: $\ddot{s} (φ, \dot{φ}, \ddot{φ}) = r_{K} \cdot \ddot{φ} \cdot sin φ + r_{K} \cdot {\dot{φ}}^{2} \cdot cos φ + \frac{r_{K}}{2} \cdot \ddot{φ} \cdot λ_{P l} \cdot sin (2 \cdot φ) + r_{K} \cdot {\dot{φ}}^{2} \cdot λ_{P l} \cdot cos (2 \cdot φ)$

Unter der Annahme einer konstanten mittleren Drehzahl nmot vereinfacht sich der Zusammenhang für die Kolbenbeschleunigung zu:

{\ddot{s}}_{r e d} (φ, \dot{φ}) = r_{K} \cdot {\dot{φ}}^{2} \cdot (cos φ + λ_{P l} \cdot cos (2 φ))

Further detailing the variable factors from Equation (15) yields:

\ddot{s} (φ, \dot{φ}, \ddot{φ}) = {right}_{K} \cdot \ddot{φ} \cdot sin φ + {right}_{K} \cdot {\dot{φ}}^{2} \cdot cos φ + \frac{{right}_{K}}{2} \cdot \ddot{φ} \cdot λ_{P l} \cdot sin (2 \cdot φ) + {right}_{K} \cdot {\dot{φ}}^{2} \cdot λ_{P l} \cdot cos (2 \cdot φ)

Assuming a constant mean speed nmot, the relationship for the piston acceleration is simplified to:

{\ddot{s}}_{right e i.e} (φ, \dot{φ}) = {right}_{K} \cdot {\dot{φ}}^{2} \cdot (cos φ + λ_{P l} \cdot cos (2 φ))

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. $β (φ) = arcsin (λ_{P l} \cdot sin φ)$

Schubstangenverhältnis

λ_{P l} = \frac{r_{K}}{l_{P l}}

p_{z y l} = {\bar{p}}_{z y l}

Bezug zum Umgebungsdruck

p_{0} = p_{u m g}

oder wie im weiteren auch genutzt derThe assumption leads to an error that can be neglected. The influence of the angular acceleration results in a negligibly small deviation over the entire map.

β (φ) = arcsin (λ_{P l} \cdot sin φ)

push rod ratio

λ_{P l} = \frac{{right}_{K}}{l_{P l}}

p_{e.g y l} = {\bar{p}}_{e.g y l}

relation to the ambient pressure

p

_{0} = p_{and m G}

or as further also used the

Bezug zum Kurbelgehäusedruck $p_{0} = p_{K u r b G e h} = p_{u m g} - D P S$

wobei DPS für den Unterdruck im Saugrohr steht.relation to crankcase pressure

p

_{0} = p_{K and right b G e H} = p_{and m G} - D P S

where DPS stands for the vacuum in the intake manifold.

Das Reibmoment aus Gleichung (13) 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 (13) 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. $\tilde{M_{R}} = c o n s t .$

Der gleiche Ansatz wird ebenfalls für das anteilige Moment durch rotatorische Massenträgheit und das Massenträgheitsmoment genutzt.

\tilde{M_{M}} = c o n s t .

J = c o n s t .

In the following, however, it is assumed that the diagnosis is carried out at firmly defined steady-state load points. As a result, the friction torque for this load point can be assumed to be constant.

\tilde{M_{R}} = c O n s t .

The same approach is also used for the proportional moment due to rotational mass inertia and the mass moment of inertia.

\tilde{M_{M}} = c O n s t .

J = c O n s t .

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 (13) nach dem Gasmoment ergibt: $\tilde{M_{t a n}} = J \cdot \dot{ω} + \tilde{M_{R}} + \tilde{M_{M}}$

Nach Einsetzen der Zusammenhänge aus Gleichungen (21) bis (23) kann man auf folgende Vereinfachung mit der Applikationskonstante KRM schlussfolgern:

\tilde{M_{t a n}} = J \cdot \dot{ω} + K_{R M}

Solving equation (13) for the gas moment gives:

\tilde{M_{t a n}} = J \cdot \dot{ω} + \tilde{M_{R}} + \tilde{M_{M}}

After inserting the relationships from equations (21) to (23), one can conclude the following simplification with the application constant KRM:

\tilde{M_{t a n}} = J \cdot \dot{ω} + K_{R M}

Applikation der Diagnose:Application of the diagnosis:

In 3 ist das Detail X aus 2, also die Drehzahlentwicklung 101 über den Kurbelwinkel KW während des Diagnose-Zeitfensters 112 mit den Messpunkten P1 und P2 in der Kompression von Zylinder Z1 eingetragen. Für den Zylinderdruck p_P1 im Zylinder Z1 gilt zum Messpunkt P1 p_P1(t₁, n₁), für den Zylinderdruck p_P2 zum Messpunkt P2 p_P2(t₂,n₂). Ersichtlich sinkt während des Diagnose-Zeitfensters 112 die gemessene Drehzahl n, sodass gilt n₁ > n₂.In 3 the detail X is off 2 , ie the speed development 101 via the crank angle KW during the diagnosis time window 112 with the measuring points P1 and P2 in the compression of cylinder Z1. For the cylinder pressure p _P1 in the cylinder Z1 applies at the measuring point P1 p _P1 (t ₁ , n ₁ ), for the cylinder pressure p _P2 at the measuring point P2 p _P2 (t ₂ , n ₂ ). It can be seen that the measured rotational speed n falls during the diagnosis time window 112, so that n ₁ >n ₂ applies.

Der Gradient der Winkelgeschwindigkeit aus Gleichung (14) wird erweitert. Die zu ermittelnde Drehzahl muss dabei gemittelt werden und Konstanten werden wieder gekennzeichnet. $\dot{ω} \approx {(\frac{π}{30})}^{2} \cdot \bar{n_{m o t}} \cdot \frac{Δ n_{m o t}}{Δ φ}$

\dot{ω} \approx {(\frac{π}{30})}^{2} \cdot \frac{n_{m o t_{2}} + n_{m o t_{1}}}{2} \cdot \frac{n_{m o t_{2}} - n_{m o t_{1}}}{φ_{2} - φ_{1}}

\dot{ω} \approx \frac{1}{2} \cdot {(\frac{π}{30})}^{2} \cdot \frac{n_{m o t_{2}}^{2} - n_{m o t_{1}}^{2}}{φ_{2} - φ_{1}}

\dot{ω} \approx K_{ω} \cdot \frac{n_{m o t_{2}}^{2} - n_{m o t_{1}}^{2}}{φ_{2} - φ_{1}}

Der Term für das Tangentialmoment aus Gleichung (15) wird nachfolgend erweitert um die Zusammenhänge aus den Gleichungen (16) bis (20) und Konstanten werden gekennzeichnet.

\begin{matrix} \tilde{M_{t a n}} = [\frac{(p_{1} + p_{2} - 2 \cdot p_{u m g} + 2 \cdot D P S)}{2} \cdot A_{K} - m_{o s z} \cdot \ddot{s} (φ)] \cdot r_{K} \cdot \frac{sin (φ + β)}{cos β} \\ \tilde{M_{t a n}} = [\frac{(p_{1} + p_{2} - 2 \cdot p_{u m g} + 2 \cdot D P S)}{2} \cdot A_{K} - m_{o s z} \cdot \ddot{s} (φ)] \cdot K_{K} \end{matrix}

mit einer Kinematikkonstanten für den Stationärpunkt, in welchem die Diagnose staffindet

K_{K} = r_{K} \cdot \frac{sin (φ + β)}{cos β}

The angular velocity gradient from equation (14) is expanded. The speed to be determined must be averaged and constants are marked again.

\dot{ω} \approx {(\frac{π}{30})}^{2} \cdot \bar{n_{m O t}} \cdot \frac{Δ n_{m O t}}{Δ φ}

\dot{ω} \approx {(\frac{π}{30})}^{2} \cdot \frac{n_{m O t_{2}} + n_{m O t_{1}}}{2} \cdot \frac{n_{m O t_{2}} - n_{m O t_{1}}}{φ_{2} - φ_{1}}

\dot{ω} \approx \frac{1}{2} \cdot {(\frac{π}{30})}^{2} \cdot \frac{n_{m O t_{2}}^{2} - n_{m O t_{1}}^{2}}{φ_{2} - φ_{1}}

\dot{ω} \approx K_{ω} \cdot \frac{n_{m O t_{2}}^{2} - n_{m O t_{1}}^{2}}{φ_{2} - φ_{1}}

The term for the tangential moment from equation (15) is subsequently expanded to include the relationships from equations (16) to (20) and constants are identified.

\begin{matrix} \tilde{M_{t a n}} = [\frac{(p_{1} + p_{2} - 2 \cdot p_{and m G} + 2 \cdot D P S)}{2} \cdot A_{K} - m_{O s e.g} \cdot \ddot{s} (φ)] \cdot {right}_{K} \cdot \frac{sin (φ + β)}{cos β} \\ \tilde{M_{t a n}} = [\frac{(p_{1} + p_{2} - 2 \cdot p_{and m G} + 2 \cdot D P S)}{2} \cdot A_{K} - m_{O s e.g} \cdot \ddot{s} (φ)] \cdot K_{K} \end{matrix}

with a kinematic constant for the stationary point in which the diagnosis is made

K_{K} = {right}_{K} \cdot \frac{sin (φ + β)}{cos β}

Nach Einsetzen von Gleichung (26) und (25) in Gleichung (24), Auflösung nach den Zylinderdrücken und Zusammenfassung aller Konstanten ergibt sich: $\begin{matrix} [\frac{(p_{1} + p_{2} - 2 \cdot p_{u m g} + 2 \cdot D P S)}{2} \cdot A_{K} - m_{o s z} \cdot \ddot{s} (φ)] \cdot K_{K} = J \cdot K_{ω} \cdot \frac{n_{m o t_{2}}^{2} - n_{m o t_{1}}^{2}}{φ_{2} - φ_{1}} + K_{R M} \\ \frac{p_{1} + p_{2}}{2} = \frac{J \cdot K_{ω}}{K_{K} \cdot A_{K}} \cdot \frac{n_{m o t_{2}}^{2} - n_{m o t_{1}}^{2}}{φ_{2} - φ_{1}} + \frac{K_{R M}}{K_{K} \cdot A_{K}} + \frac{m_{o s z} \cdot \ddot{s} (φ)}{A_{K}} + p_{u m g} - D P S \\ \frac{p_{1} + p_{2}}{2} = K_{1} \cdot \frac{n_{m o t_{2}}^{2} - n_{m o t_{1}}^{2}}{φ_{2} - φ_{1}} + K_{2} + \frac{m_{o s z} \cdot \ddot{s} (φ)}{A_{K}} + p_{u m g} - D P S \end{matrix}$

After inserting equations (26) and (25) into equation (24), solving for the cylinder pressures and combining all constants, the result is:

\begin{matrix} [\frac{(p_{1} + p_{2} - 2 \cdot p_{and m G} + 2 \cdot D P S)}{2} \cdot A_{K} - m_{O s e.g} \cdot \ddot{s} (φ)] \cdot K_{K} = J \cdot K_{ω} \cdot \frac{n_{m O t_{2}}^{2} - n_{m O t_{1}}^{2}}{φ_{2} - φ_{1}} + K_{R M} \\ p \\ \frac{_{1} + p_{2}}{2} = \frac{J \cdot K_{ω}}{K_{K} \cdot A_{K}} \cdot \frac{n_{m O t_{2}}^{2} - n_{m O t_{1}}^{2}}{φ_{2} - φ_{1}} + \frac{K_{R M}}{K_{K} \cdot A_{K}} + \frac{m_{O s e.g} \cdot \ddot{s} (φ)}{A_{K}} + p_{and m G} - D P S \\ p \\ \frac{_{1} + p_{2}}{2} = K_{1} \cdot \frac{n_{m O t_{2}}^{2} - n_{m O t_{1}}^{2}}{φ_{2} - φ_{1}} + K_{2} + \frac{m_{O s e.g} \cdot \ddot{s} (φ)}{A_{K}} + p_{and m G} - D P S \end{matrix}

Alle Druckgrößen und Drehzahlen in der Gleichung (27) sind messbar zu den Zeitpunkten P1 und P2. Eine geeignete, an sich bekannte Indiziermesstechnik löst die nötigen physikalischen Größen kurbelwinkelbasiert oder zumindest gemittelt über mehrere Arbeitsspiele auf. Zusätzlich oder alternativ zur Indiziermesstechnik kann auf Daten eines geeigneten Betriebsmodells, beispielsweise der Motorsteuerung, zurückgegriffen werden. Die Kinematikkonstante K_K kann tabelliert und in Abhängigkeit von der Kolbenstellung eingesetzt werden.All pressure variables and speeds in equation (27) can be measured at points in time P1 and P2. A suitable indicator measurement technique known per se resolves the necessary physical variables based on the crank angle or at least averaged over several working cycles. In addition or as an alternative to the indication measurement technology, data from a suitable operating model, for example the engine control, 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 (4) lässt sich für die beiden diskreten Punkte formulieren: ${\ddot{s}}_{r e d} (φ, \dot{φ}) = r_{K} \cdot {[\frac{\frac{π}{30} (n_{m o t_{1}} + n_{m o t_{2}})}{2}]}^{2} \cdot [cos (\frac{φ_{1} + φ_{2}}{2}) + cos (φ_{1} + φ_{2})]$

The reduced piston acceleration (4) can be formulated for the two discrete points:

{\ddot{s}}_{right e i.e} (φ, \dot{φ}) = {right}_{K} \cdot {[\frac{\frac{π}{30} (n_{m O t_{1}} + n_{m O t_{2}})}{2}]}^{2} \cdot [cos (\frac{φ_{1} + φ_{2}}{2}) + cos (φ_{1} + φ_{2})]

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).

Diagnoseablauf:Diagnosis process:

Nach Bestimmung der Applikationskonstanten K₁ und K₂ lässt sich die Gleichung (27) benutzen, um den diagnostischen Zylinderdruck aus der Drehzahländerung in der Kompression zu bestimmen: ${\bar{p}}_{z y l, d i a g} = K_{1} \cdot \frac{n_{m o t_{2}}^{2} - n_{m o t_{1}}^{2}}{φ_{2} - φ_{1}} + K_{2} + \frac{m_{o s z} \cdot \ddot{s} (φ, n_{m o t})}{A_{K}} + p_{u m g} - D P S$

After determining the application constants K ₁ and K ₂ , Equation (27) can be used to determine the diagnostic cylinder pressure from the speed change in compression:

{\bar{p}}_{e.g y l, i.e i a G} = K_{1} \cdot \frac{n_{m O t_{2}}^{2} - n_{m O t_{1}}^{2}}{φ_{2} - φ_{1}} + K_{2} + \frac{m_{O s e.g} \cdot \ddot{s} (φ, n_{m O t})}{A_{K}} + p_{and m G} - D P S

Der diagnostische Zylinderdruck p _zyl,diag ist ein Indiz für den Druckverlauf während des Kompressionstakts des Zylinders.The diagnostic cylinder pressure p _zyl,diag is an indication of the pressure profile during the compression stroke of the cylinder.

Auf diese Weise kann im Fahrbetrieb für das Diagnose-Zeitfenster 112 des diagnostizierten Zylinders Z der diagnostischen Zylinderdruck p _zyl,diag = p_{zyl,diag,660-690} zum Zeitintervall t12 = t[P1;P2] ermittelt werden.In this way, when driving for the diagnostic time window 112 of the diagnosed cylinder Z, the diagnostic cylinder pressure p _zyl,diag = p _{zyl,diag,660-690} at the time interval t12 = t[P1;P2].

Damit kann der Restgasanteil x gemäß Gleichung (12) ermittelt werden.The residual gas content x can thus be determined according to equation (12).

In 6 ist ein Flussdiagramm verschiedener Möglichkeiten zur Nutzung des ermittelten Restgasanteils x für Onboard-Diagnose 204 und/oder Offboard-Diagnose 208 und/oder Motorsteuerung/-regelung 206 dargestellt.In 6 a flowchart of various options for using the determined residual gas portion x for onboard diagnosis 204 and/or offboard diagnosis 208 and/or engine control/regulation 206 is shown.

Nach der Ermittlung des Restgasanteils x unter anderem aus Messwerten für die Drehzahl n, Messwerten für das Verbrennungsluftverhältnis λ, Kennwerten für das Zylindervolumen V und Kennwerten für die Temperatur T_P2 zum Diagnosezeitpunkt P2 wird der ermittelte Wert x in einem nicht flüchtigen Speicher 202 der Motorsteuerung 200 hinterlegt. Wenn beispielsweise mit einer Samplingzeit von 1 ms oder kleiner Restgasanteile x ermittelt werden, wird in den Speicher 202 alle 1ms oder öfter ein neuer Wert x - insbesondere mit Zeitstempel und/oder Ausgangswerten für die Ermittlung - abgespeichert.After the residual gas fraction x has been determined from, among other things, measured values for the speed n, measured values for the combustion air ratio λ, characteristic values for the cylinder volume V and characteristic values for the temperature T _P2 at the diagnosis point in time P2, the determined value x is stored in a non-volatile memory 202 of the engine controller 200 deposited. If, for example, residual gas portions x are determined with a sampling time of 1 ms or less, a new value x—in particular with a time stamp and/or initial values for the determination—is stored in memory 202 every 1 ms or more frequently.

Die abgespeicherten Werte x können in Echtzeit, d.h. sofort im Fahrbetrieb, beispielsweise einer Online-Diagnosekomponente 204 und/oder einer Motorregelungskomponente 206 der Motorsteuerung 200 bereitgestellt werden. Auch können die Werte x zu einem späteren Zeitpunkt, beispielsweise in der Werkstatt, einem Offboard-Diagnoserechner zur Verfügung gestellt werden.The stored values x can be made available in real time, i.e. immediately during driving operation, for example to an online diagnostic component 204 and/or an engine control component 206 of the engine controller 200. The values x can also be made available to an offboard diagnostic computer at a later point in time, for example in the workshop.

BezugszeichenlisteReference List

11: Verbrennungsmotorcombustion engine
22: EinrichtungFacility
44: Recheneinheitunit of account
66: Erfassungseinheit für die Drehzahl der KurbelwelleCrankshaft speed acquisition unit
77: Zylinderdruck-ErmittlungseinheitCylinder pressure determination unit
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-Diagnoserechner Offboard diagnostic calculator
ATLATL: Abgasturboladerexhaust gas turbocharger
KTKT: Kurbeltriebcrank drive
KWweek: Kurbelwinkelcrank angle
LFLF: Luftfilterair filter
LSLS: Luftsammlerair collector
LstLst: stöchiometrisches Kraftstoff-Luft-Verhältnis, Kraftstoff-spezifischstoichiometric fuel-air ratio, fuel specific
mm: Gasmasse im Zylindergas mass in the cylinder
MM: Drehmoment eines Zylinders in 1 Torque of a cylinder in 1
nn: Drehzahlnumber of revolutions
pp: Zylinderdruckcylinder pressure
pzyl,diagpcyl, diag: Druckkennzahl, hier diagnostischer ZylinderdruckPressure index, here diagnostic cylinder pressure
PP: 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)
VV: Zylindervolumencylinder volume
VmaxVmax: maximales Zylindervolumen im unteren Totpunkt der Kurbelwellemaximum cylinder volume at bottom dead center of the crankshaft
ZZ: Zylindercylinder
ZZPZZP: Zündzeitpunkt eines Zylindersignition timing of a cylinder
λλ: Verbrennungsluftverhältniscombustion air ratio

Claims

Verfahren zur Ermittlung eines Restgasanteils (x) in einem Zylinder (Z1, Z2, Z3, Z4) eines Verbrennungsmotors (1) in einem Kraftfahrzeug, aufweisend die Schritte: - Bestimmen eines Diagnose-Zeitfensters (112) innerhalb eines Drehmomentlochs (12) eines der Takte des Verbrennungsmotors (1) während eines Fahrbetriebs des Kraftfahrzeugs, - Identifizieren eines Zylinders (Z1), welcher sich zu Beginn des Diagnose-Zeitfensters in einem Kompressionstakt befindet, - Ermitteln einer Drehzahlentwicklung (101) des Verbrennungsmotors (1) während des Diagnose-Zeitfensters, gekennzeichnet durch den Schritt: - Ermitteln eines Restgasanteils (x) im identifizierten Zylinder in Abhängigkeit von der ermittelten Drehzahlentwicklung.Method for determining a residual gas content (x) in a cylinder (Z1, Z2, Z3, Z4) of an internal combustion engine (1) in a motor vehicle, having the steps: - Determining a diagnostic time window (112) within a torque hole (12) of one of the Cycles of the internal combustion engine (1) while the motor vehicle is being driven, - identifying a cylinder (Z1) which is in a compression cycle at the beginning of the diagnostic time window, - determining a speed development (101) of the internal combustion engine (1) during the diagnostic time window , characterized by the step: - determining a residual gas content (x) in the identified cylinder as a function of the determined speed development.

Verfahren gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Schritte: - Ermitteln einer Temperatur (T) im identifizierten Zylinder zu einem Diagnosezeitpunkt (P2) im Diagnose-Zeitfenster, und - Ermitteln des Restgasanteils in Abhängigkeit von der ermittelten Temperatur.procedure according to claim 1 , characterized by the steps: - determining a temperature (T) in the identified cylinder at a diagnosis time (P2) in the diagnosis time window, and - determining the residual gas content as a function of the determined temperature.

Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur ermittelt wird, indem sie - als Konstante für einen, mehrere oder alle Betriebsfälle des Verbrennungsmotors vorbestimmt wird, und/oder - aus einem vorbefüllten Kennfeld in Abhängigkeit von einer Motorlast und der Motordrehzahl ausgelesen wird.procedure according to claim 2 , characterized in that the temperature is determined by - being predetermined as a constant for one, several or all operating cases of the internal combustion engine, and/or - being read out from a pre-filled characteristic diagram as a function of an engine load and the engine speed.

Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Restgasanteil in Abhängigkeit von einem Zylindervolumen (V) zu einem Diagnosezeitpunkt (P2) im Diagnose-Zeitfenster ermittelt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the residual gas content is determined as a function of a cylinder volume (V) at a diagnosis point in time (P2) in the diagnosis time window.

Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Schritte: - Ermitteln eines Verbrennungsluftverhältnisses (λ) der Verbrennung zu einem Diagnosezeitpunkt im Diagnose-Zeitfenster, und - Ermitteln des Restgasanteils (x) in Abhängigkeit von dem ermittelten Verbrennungsluftverhältnis.Method according to one of the preceding claims, characterized by the steps: - determining a combustion air ratio (λ) of the combustion at a diagnosis point in time in the diagnosis time window, and - determining the residual gas proportion (x) as a function of the determined combustion air ratio.

Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahlentwicklung mit einer echtzeitfähigen Samplingqualität ermittelt wird.procedure according to claim 5 , characterized in that the speed development is determined with a real-time capable sampling quality.

Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ermittelt wird, ob ein, zumindest quasi, stationärer Betrieb des Verbrennungsmotors vorliegt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that it is determined whether the internal combustion engine is operating, at least as it were, in a steady state.

Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass - das Verfahren nur durchgeführt, wenn und/oder solange ein stationärer Betrieb ermittelt wird, und/oder - der ermittelte Restgasanteil nur gespeichert und/oder weiterverwendet wird, wenn und/oder solange ein stationärer Betrieb ermittelt wird.procedure according to claim 7 , characterized in that - the method is only carried out if and/or as long as steady-state operation is determined, and/or - the residual gas content determined is only stored and/or further used if and/or as long as steady-state operation is determined.

Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Restgasanteil im Stationärbetrieb des Verbrennungsmotors mit einer echtzeitfähigen Samplingqualität ermittelt wird.Method according to one of Claims 7 or 8th , characterized in that the residual gas content is determined in stationary operation of the internal combustion engine with a real-time capable sampling quality.

Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Restgasanteils im Zylinder zum Diagnose-Zeitpunkt - in Abhängigkeit von einer Drehzahlentwicklung im Diagnose-Zeitfenster eine Druckkennzahl für den Zylinder ermittelt wird, und/oder - eine Temperatur des Gemischs im Zylinder für den vorliegenden Lastfall und die vorliegende mittlere Drehzahl ermittelt wird, und/oder - ein Verbrennungsluftverhältnis des dem Zylinder zuvor zugeführten Luft-Kraftstoff-gemischs gemessen und/oder ermittelt wird, und/oder - eine relative Luftfüllung des Zylinders in Abhängigkeit von dem Lastfall des Zylinders ermittelt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that to determine the residual gas content in the cylinder at the time of diagnosis - a pressure index for the cylinder is determined as a function of a speed development in the diagnosis time window, and/or - a temperature of the mixture in the cylinder for the present load case and the present average speed is determined, and/or - a combustion air ratio of the air-fuel mixture previously supplied to the cylinder is measured and/or determined, and/or - a relative air filling of the cylinder as a function of the load case of the cylinder is determined.

Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den Schritt: - Ablegen des ermittelten Restgasgehalts zum Diagnosezeitpunkt in einem nicht-flüchtigen Speicher (202) eines Motorsteuergeräts (200) des Verbrennungsmotors.Method according to one of the preceding claims, characterized by the step: - filing the determined residual gas content at the time of diagnosis in a non-volatile memory (202) of an engine control unit (200) of the internal combustion engine.

Verfahren gemäß Anspruch 11, gekennzeichnet durch den Schritt: - Übergabe des Speicherinhalts im Fahrbetrieb - an eine Diagnosekomponente (204) des Motorsteuergeräts für weitere Onboard-Diagnosefunktionen, - an eine Steuerkomponente (206) des Motorsteuergeräts für eine Echtzeitregelung von Funktionen des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit von dem ermittelten Restgasgehaltprocedure according to claim 11 , characterized by the step: - transfer of the memory content while driving - to a diagnostic component (204) of the engine control unit for further onboard diagnostic functions, - to a control component (206) of the engine control unit for real-time regulation of functions of the internal combustion engine depending on the residual gas content determined

Verfahren gemäß Anspruch 11 oder 12, gekennzeichnet durch den Schritt: - Übergeben des Speicherinhalts an einen Offboardrechner (208) für Offline-Diagnosefunktionen.procedure according to claim 11 or 12 , characterized by the step: - Transferring the memory content to an offboard computer (208) for offline diagnostic functions.

Einrichtung (2) zur Ermittlung eines Restgasanteils (x) in einem Zylinder (Z1, Z2, Z3, Z4) eines Verbrennungsmotors (1) in einem Kraftfahrzeug, wobei die Einrichtung insbesondere dazu eingerichtet ist, ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 durchzuführen, und wobei die Einrichtung zumindest aufweist: - eine Recheneinheit (4), die dazu eingerichtet ist, eine Drehzahl-Erfassungseinheit (6) und/oder eine Zylindervolumen-Ermittlungseinheit und/oder eine Zylindertemperatur-Ermittlungseinheit (16) und/oder wenigstens eine Lambdasonde (18) zu steuern und/oder deren Messwerte und/oder dort jeweils hinterlegte Daten übermittelt zu bekommen, wobei die Recheneinheit (4) dazu eingerichtet ist, ein Diagnose-Zeitfenster (112) innerhalb eines Drehmomentlochs (12) eines der Takte des Verbrennungsmotors (1) während eines Fahrbetriebs des Kraftfahrzeugs zu bestimmen, und wenigstens einen Zylinder (Z1) zu identifizieren, welcher sich zu Beginn des Diagnose-Zeitfensters in einem Kompressionstakt befindet, gekennzeichnet durch eine Restgasanteil-Ermittlungseinheit (7), die dazu eingerichtet ist, einen Restgasanteil in Abhängigkeit von erfassten Drehzahlen und/oder einer Drehzahlentwicklung der Kurbelwelle im Diagnosezeitfenster zu ermitteln, wobei die Recheneinheit (4) dazu eingerichtet ist, die Restgasanteil-Ermittlungseinheit zu steuern.Device (2) for determining a residual gas content (x) in a cylinder (Z1, Z2, Z3, Z4) of an internal combustion engine (1) in a motor vehicle, the device being set up in particular to implement a method according to one of Claims 1 until 13 carried out, and wherein the device has at least: - a computing unit (4) which is set up, a speed detection unit (6) and / or a cylinder volume determination unit and / or a cylinder temperature determination unit (16) and / or at least one To control the lambda probe (18) and/or its measured values and/or data stored there to get transmitted, wherein the processing unit (4) is set up to determine a diagnostic time window (112) within a torque gap (12) of one of the cycles of the internal combustion engine (1) during driving operation of the motor vehicle, and at least one cylinder (Z1) to identify which is in a compression stroke at the beginning of the diagnosis time window, characterized by a residual gas proportion determination unit (7) which is set up to determine a residual gas proportion as a function of detected speeds and/or a speed development of the crankshaft in the diagnosis time window, wherein the computing unit (4) is set up to control the residual gas portion determination unit.

Verbrennungsmotor (1) mit mehreren Zylindern (Z), gekennzeichnet durch eine Einrichtung (2) gemäß Anspruch 14.Internal combustion engine (1) with several cylinders (Z), characterized by a device (2) according to Claim 14 .