DE10261618A1

DE10261618A1 - Laufunruheauswertungsverfahren

Info

Publication number: DE10261618A1
Application number: DE10261618A
Authority: DE
Inventors: Ekkehard Dr.-Ing. Pott; Michael Dr.-Ing. Zillmer
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2002-12-27
Filing date: 2002-12-27
Publication date: 2004-07-08
Anticipated expiration: 2022-12-28
Also published as: DE10261618B4

Abstract

Bei dem Verfahren zur Auswertung eines Laufunruhe-Signals eines Verbrennungsmotors, wobei die Auswertung zumindest eine Detektion und eine Ermittlung einer Häufigkeit von unzulässigen Verbrennungsereignissen umfasst, ist vorgesehen, dass zur Detektion unzulässiger Verbrennungsereignisse eine statistische Verteilung der Werte des Laufunruhe-Signals ermittelt wird DOLLAR A und/oder DOLLAR A Häufigkeiten unzulässiger Verbrennungsereignisse mittels eines oder mehrerer dynamischer und/oder eines multiplen statischen Zeitrasters ermittelt werden, innerhalb derer unzulässige Verbrennungsereignisse detektiert werden. DOLLAR A Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens (Fig. 3).

Description

Die Erfindung betrifft ein Laufunruheauswertungsverfahren und ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors sowie einen Verbrennungsmotor zur Ausführung des Letzteren mit den in den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche genannten Merkmalen.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind bereits Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors bekannt, bei denen ein Laufunruhe-Signal ermittelt und ausgewertet wird und in Abhängigkeit von einem Auswertungsergebnis Betriebsparameter des Verbrennungsmotors eingestellt werden. Aus Informationen über die Laufunruhe eines Motors können Informationen über den Verbrennungsprozess erhalten werden, die insbesondere für magerbetriebsfähige Motoren und/oder Motoren mit einer Abgasrückführung zu berücksichtigen sind, um einerseits derartige Konzepte voll ausnutzen zu können, andererseits unerwünschte Betriebszustände, wie das Erreichen einer Laufgrenze oder eine übermäßige Anzahl von Aussetzern oder verschleppten Verbrennungen, zu vermeiden.
Im Stand der Technik wird die Laufunruhe eines Verbrennungsmotors beispielsweise durch die Auswertung eines Drehzahlsignals bestimmt. Zum Aufspüren von Fehlzündungen ist in diesem Zusammenhang aus der DE OS 42 27 104 ein Verfahren bekannt, bei dem die Kurbelwellenwinkelgeschwindigkeit gemessen und in ein elektrisches Signal umgeformt wird, aus dem ein Drehmomentreferenzwert ermittelt wird, der mit einem indizierten Drehmoment verglichen wird. Bei Abweichungen von einem vom Betriebszustand abhängigen Schwellenwert wird ein Fehlzündungssignal erhalten. Ferner ist bekannt, in Abhängigkeit von einer bestimmten Rate von unzulässigen Verbrennungsereignissen betriebssichernde Maßnahmen am Verbrennungsmotor einzuleiten oder eine Fehlermeldung über bekannte Diagnosevorrichtungen auszugeben. So werden bei dem in der DE 100 511 84 A1 beschriebenen Verfahren zur Steuerung einer magerlauffähigen Verbrennungskraftmaschine unzulässige Verbrennungsereignisse registriert und eine Steuerung eines Magerbetriebs der Verbrennungskraftmaschine in Abhängigkeit von einer Häufigkeit der unzulässigen Verbrennungsereignisse derart vorgenommen, dass der Magerbetrieb mit zunehmender Häufigkeit der unzulässigen Verbrennungsereignisse eingeschränkt oder gesperrt wird. Als unzulässige Verbrennungsereignisse werden hier eine verschleppte Verbrennung und/oder ein Zündaussetzer angesehen.
Ferner ist aus der DE 198 27 105 C2 ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem eine Laufunruhe ermittelt wird, bei der nach Überschreiten einer maximalen Laufunruhe der Kraftstoff für eine vorgebbare Zeitdauer während einer Ansaugphase der Brennkraftmaschine in den Brennraum eingespritzt wird und während dieser der Einspritzdruck erhöht wird.
Es kann dabei eine absolute, auf eine Dauer des Magerbetriebs bezogene Häufigkeit unzulässiger Verbrennungsereignisse ermittelt und der Magerbetrieb der Verbrennungskraftmaschine in Abhängigkeit von der absoluten Häufigkeit unzulässiger Verbrennungsereignisse gesteuert werden. Es ist auch bekannt, eine spezifische Häufigkeit unzulässiger Verbrennungsereignisse zu ermitteln, beispielsweise bezogen auf eine vorgegebene Anzahl von Kurbelwellenumdrehungen oder auf eine vorgegebene Zeiteinheit. Darüber hinaus ist bekannt, eine Gewichtung eines unzulässigen Verbrennungsereignisses durchzuführen, bei der die Gewichtung mit Höhe einer Katalysatortemperatur, einer Drehzahl, einer Last und/oder einer Höhe eines Kraftstoffanteils in einem Luftkraftstoffgemisch vorgenommen wird.
Der bei direkt einspritzenden schichtladefähigen Otto-Motoren bevorzugte verbrauchsgünstige Schichtbetrieb ist hinsichtlich des Auftretens von Aussetzern und verschleppten Verbrennungen besonders empfindlich und darüber hinaus mit einem besonders schädigungssensitiven Abgasreinigungssystem ausgestattet. Durch Aussetzer und verschleppte Verbrennungen wird das Abgasreinigungssystem mit hohen Schadstoff und gleichzeitig hohen Sauerstoffkonzentrationen beaufschlagt. Damit steigt die Exothermieleistung auf den Katalysatoren des Abgasreinigungssystems und es kann leicht zumindest zu einer lokalen Überhitzung eines oder mehrerer Katalysatoren kommen. Ferner bedingen die unzulässigen Verbrennungsereignisse eine erhöhte Schadstoffrohemission, insbesondere mit Kohlenwasserstoffen, was zu erhöhten Anforderungen und einer reduzierten Lebensdauer des Abgasreinigungssystems bzw. der Katalysatoren führt.
Die bekannten Verfahren zur Auswertung eines Laufunruhe-Signals weisen mehrere Nachteile auf. So werden verschleppte Verbrennungen, die zu einer unterhalb eines Schwellwerts liegenden Drehzahlabweichung führen, nicht berücksichtigt, wenn lediglich ein Aussetzer-Schwellwert abgefragt wird. Bei der Berücksichtigung der Häufigkeit von unzulässigen Verbrennungsereignissen erfolgt ferner keine Gewichtung der statistischen Verteilung von Aussetzern und verschleppten Verbrennungen. Werden beispielsweise bei einer Anzahl von 25 Aussetzern im Schichtbetrieb auf 1.000 Kurbelwellenumdrehungen betriebssichernde Maßnahmen ergriffen, kann in einem Fall von 24 aufeinander folgenden unzulässigen Verbrennungsereignissen am Ende eines solchen Intervalls und anschließenden weiteren 25 Ereignissen der Schichtbetrieb gesperrt oder eingeschränkt werden. Jedoch ist schon bei 49 aufeinander folgenden Ereignissen dieser Art eine stärkere Schädigung eines Katalysatorsystems zu erwarten als bei einer günstigeren statistischen Verteilung.
Aufgabe der Erfindung ist es somit, eine genauere und zuverlässigere Auswertung eines Laufunruhe-Signals für einen Verbrennungsmotor zu schaffen. Eine weitere Aufgabe ist eine Einstellung von Betriebsparametern eines Verbrennungsmotors, mit dem ein zugleich emissionsstabiler und verbrauchsgünstiger Betrieb des Verbrennungsmotors ermöglicht werden kann sowie ein entsprechend hierfür ausgebildeter Verbrennungsmotor.
Die angegebenen Aufgaben werden erfindungsgemäß jeweils mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Die Auswertung umfasst zumindest eine Detektion und eine Ermittlung einer Häufigkeit von unzulässigen Verbrennungsereignissen. Zur Detektion unzulässiger Verbrennungsereignisse wird eine statistische Verteilung der Werte des Laufunruhe-Signals herangezogen und/oder es werden Häufigkeiten unzulässiger Verbrennungsereignisse mittels eines oder mehrerer dynamischer und/oder eines multiplen statischen Zeitrasters ermittelt, innerhalb derer unzulässige Verbrennungsereignisse detektiert werden.
Erfindungsgemäß werden zur Detektion unzulässiger Verbrennungsereignisse Werte eines Laufunruhe-Signals mittels mindestens zweier Schwellwerte in den Schwellwerten zugeordnete Klassen aufgeteilt. Damit wird die in den Werten des Laufunruhe-Signals enthaltene Information über unzulässige Verbrennungsereignisse mit größerer Präzision und Differenziertheit ausgewertet. Damit ist eine über Schwarz-Weiß-Aussagen hinausgehende Information über die Struktur der Verbrennungsprozesse möglich.
Bevorzugt wird zur Detektion der unzulässigen Verbrennungsereignisse eine nicht-lineare Spreizung von Werten des Laufunruhe-Signals herangezogen, da damit große und kleine Werte des Laufunruhe-Signals sicherer diskriminiert werden können.
Besonders einfach wird eine erhöhte Zuverlässigkeit und Messgenauigkeit erreicht, wenn ein dynamisches Zeitraster als rollierendes Zeitraster über ein vorgegebenes Intervall von Betriebszeiten, Kurbelwellenumdrehungen oder Zündungen des Motors ausgebildet ist. Einen ähnlichen positiven Effekt erreicht man durch Verwendung eines multiplen statischen Zeitrasters mit einer Mehrzahl von zeitgleichen statischen Zeitrastern mit unterschiedlicher Länge.
Wenn gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung eine Einstellung von Betriebsparametern des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit von einem wie oben dargestellten Auswertungsergebnis vorgenommen wird, kann der Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors bei gleichzeitiger hoher Emissionsstabilität, insbesondere erhöhter Lebensdauer von Abgasreinigungssystem-Komponenten, in einfacher Weise reduziert werden. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den abhängigen Ansprüchen aus der Beschreibung und den zugehörigen Zeichnungen.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors
2 ein Diagramm zur Veranschaulichung einer Verteilung von Verbrennungsereignissen
3 eine Diagramm zur Veranschaulichung von stationären und dynamischen Zeitrastern
4 ein Diagramm zur Veranschaulichung von verschiedenen motorbetriebssichernden Maßnahmen.
1 zeigt in schematischer Darstellung einen Verbrennungsmotor 1, beispielsweise einen magerlauffähigen Otto-Motor oder einen Diesel-Verbrennungsmotor, mit einem Abgasreinigungssystem 2 und einem Motorsteuergerät 3, vorzugsweise zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs. Die Erfindung umfasst allerdings auch einen Verbrennungsmotor ohne Abgasreinigungssystem Der Verbrennungsmotor 1 weist eine Anzahl von Zylindern 4 auf (entsprechende Komponenten sind nur mit einem Bezugszeichen versehen), denen jeweils ein eigener Abgaspfad 5 nachgeschaltet ist und kann vorzugsweise in einem Schichtladebetrieb betrieben werden. In dem Abgasreinigungssystem 2 sind als Subsysteme ein Vorkatalysator 6 und ein Hauptkatalysator 7 angeordnet. Vorzugsweise ist der Vorkatalysator 6 als Drei-Wege-Katalysator und der Hauptkatalysator 7 als NOx-Speicherkatalysator ausgebildet. Stromabwärts der Zylinder 4 sind in den Abgaspfaden 5 Sensoren 8 angeordnet, mit denen die Konzentrationen von Abgaskomponenten des durch das Abgasreinigungssystem 2 geführten Abgases des Verbrennungsmotors 1 gemessen werden können. Beispielsweise können das NOx-, SOx-, CO-, CO2- sowie HC-Komponenten sein. Stromaufwärts des Vorkatalysators 6 ist zudem ein weiterer Sensor 8' zur Messung von Abgaskomponenten angeordnet. Ein weiterer Sensor 9 ist in einem Bereich des Abgassystems 2 zwischen dem Vorkatalysator 6 und dem Hauptkatalysator 7 stromabwärts des Vorkatalysators 6 und stromaufwärts des Hauptkatalysators 7 angeordnet. Vorzugsweise ist insbesondere stromabwärts des Hauptkatalysators 7 ein Sensor 10 angeordnet, der beispielsweise ein NOx-Sensor sein kann. Der NOx-Speicherkatalysator 7 wird üblicherweise in einem Speicherzyklus betrieben, der zumindest einen Adsorbtionsmodus und einen Regenerationsmodus umfasst. Die adsorptive Speicherung erfolgt bei einem Lambdawert größer 1, die Ausspeicherung zu einem späteren Zeitpunkt bei einem Lambdawert kleiner/gleich 1. Derartige Speicherkatalysatoren werden daher vorwiegend bei magerlauffähigen Motoren eingesetzt.
Bei den Sensoren 8, 8', 9 und 10, die in der 1 nur schematisch dargestellt sind, kann es sich um Mehrkomponenten-Sensoren handeln, die jeweils in der Lage sind, mehr als eine Schadstoffkomponente im Abgas zu sensorieren. Zusätzlich zu den erwähnten Sensoren sind stromaufwärts und stromabwärts des Vorkatalysators 6 und stromaufwärts des Hauptkatalysators 7 Lambdasonden 11, 12 bzw. 12' sowie zur Ermittlung der Betriebstemperatur der Katalysatorenabgastemperatur-Sensoren 13, 13' angeordnet. Zur Abgasrückführung weist der Verbrennungsmotor 1 eine Abgasrückführeinrichtung 14 mit einem steuerbaren Ventil 15 auf.
Das Motorsteuergerät 3 dient der Festlegung von Betriebszuständen des Verbrennungsmotors 1 und erfasst in an sich bekannter Weise über nicht im Einzelnen dargestellte weitere Sensoren Betriebsparameter wie beispielsweise Drehzahl, Last, Drosselklappenstellung, Abgasrückführungsrate, Zündzeitpunkt, Einspritzzeitpunkt, Einspritzdruck, Abgasmassenstrom und dergleichen und kann diese über nicht dargestellte Stellglieder gegebenenfalls beeinflussen, wobei zur Kommunikation zwischen dem Steuergerät 3 und den Sensoren bzw. Stellgliedern ein Kabelsystem 14 oder dergleichen vorgesehen ist. Das Motorsteuergerät 3 umfasst insbesondere eine Lambdaregeleinrichtung zur Regelung der Sauerstoffkonzentration im Abgas bzw. des Lambdawerts. Der Schichtladebetrieb erfolgt in an sich bekannter Weise lediglich innerhalb eines Schichtladefensters eines Last-/Drehzahlbereichs. Über beispielsweise Lambdawert, Zündzeitpunkt oder Abgasrückführrate kann auch auf die Rohemission von Schadstoffkomponenten, insbesondere von NOx, CO und HC Einfluss genommen werden. Ferner umfasst das Motorsteuergerät 3 eine Vorrichtung zur Ermittlung und Auswertung eines Laufunruhe-Signals 16.
Um einen optimalen Betrieb des Verbrennungsmotors im Hinblick auf den Kraftstoffverbrauch und die Emission von Schadstoffen zu erreichen, werden vom Motorsteuergerät 3 neben motorischen Randbedingungen auch Emissionen von Abgaskomponenten sowie der aktuelle Zustand des Abgasreinigungssystems ausgewertet. Der aktuelle Zustand des Abgasreinigungssystems wird dabei, wie an sich bekannt, vorzugsweise anhand von Kenngrößen erfasst. Als Kenngrößen sind insbesondere bekannt die obere und untere Temperaturgrenze eines Konvertierungsfensters für NOx- und/oder eine andere Abgaskomponente, eine HC- oder CO-Light-oft-Schwellentemperatur, eine Obergrenze für Rohemissionen von Abgaskomponenten, eine obere Grenze eines Abgasmassenstroms, eine Obergrenze einer NOx- und/oder SOx-Beladung des Abgasreinigungssystems oder von einem oder mehreren seiner Subsysteme. Ferner ist bekannt eine Obergrenze für die Konzentration einer NOx-, CO-, CO2- oder HC- Abgaskomponente stromab des Abgasreinigungssystems oder gegebenenfalls eines oder mehrerer seiner Subsysteme zu verwenden. Die Werte für diese Kenngrößen werden in Abhängigkeit von den Betriebsparametern des Verbrennungsmotors 1 ermittelt und in einem Datenspeicher des Motorsteuergeräts 3 abgelegt. Bei Erreichen von vorgegebenen Werten derartiger Kenngrößen erfolgt vorzugsweise durch ein nicht dargestelltes Anzeigeelement eine Anzeige eines fehlerhaften Zustandes des Abgasreinigungssystems bzw. eines oder mehrerer seiner Subsysteme.
Die Erfindung geht von der Idee aus, für eine genauere und zuverlässigere Auswertung eines Laufunruhe-Signals eine Ermittlung einer statistischen Verteilung von Werten des Signals sowie von Häufigkeiten unzulässiger Verbrennungsereignisse heranzuziehen. Dafür ist bei dem in 1 dargestellten Verbrennungsmotor eine Vorrichtung 16 vorgesehen, die im vorliegenden Fall als Teil des Motorsteuergerätes 3 ausgeführt ist, jedoch auch separat ausgebildet sein kann. Ein Laufunruhe-Signal kann beispielsweise aus einer Auswertung der Motordrehzahl oder bei Einsatz von entsprechend schnellen Abgassensoren aus Messungen des Abgases, insbesondere von im Abgas enthaltenen Schadstoffen wie Kohlenwasserstoffen (HC) und/oder Kohlenmonoxid (CO), erhalten werden. Die Laufunruhe spiegelt Einzelheiten des Verbrennungsprozesses wider und hängt unter anderem von Schwankungen des Zündwinkels, Schwankungen einer Restgasmasse, periodisch auftretenden Gaskräften, Unterschieden in der Luft-/Kraftstoffzufuhr, der Qualität des Kraftstoffes und der Ausbildung der Brennraumgasströmungen, ab.
In 2 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung einer zeitlichen Verteilung von Verbrennungsereignissen wiedergegeben. Der Wert des Laufunruhe-Signals ist (in an sich bekannter Weise) auf ein Intervall zwischen 0 und 1 normiert und gegenüber einer Zündungszahl aufgetragen. Die hohen Werte der Laufunruhe repräsentieren Aussetzer, hier 3, während niedrigere, aber dennoch erfindungsgemäß nicht zu vernachlässigende Werte verschleppte Verbrennungen darstellen, hier 4. Erfindungsgemäß werden Laufunruhe-Werte, die größer als der Schwellwert S1 sind, als Aussetzer identifiziert. Werte der Laufunruhe in dem Intervall zwischen dem Schwellwert S1 und dem Schwellwert S2 werden als verschleppte Verbrennung erkannt. Unterhalb des Schwellwerts S2 liegende Werte der Laufunruhe werden als nicht signifikant behandelt. In den zwei Schwellwerten S1 und S2 werden zwei Klassen von unzulässigen Verbrennungsereignissen definiert: Verbrennungs-Aussetzer, d.h. solche Werte, die größer als der Schwellwert S1 sind, und verschleppte Verbrennungen, d.h. solche Werfe der Laufunruhe, die in dem Bereich zwischen dem Schwellwert S1 und dem Schwellwert S2 liegen.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist für eine noch genauere und differenziertere Charakterisierung der unzulässigen Verbrennungsereignisse die Verwendung von mehr als zwei Schwellwerten vorgesehen.
Um die Diskriminierung zwischen unterschiedlichen Verbrennungsereignissen zu verbessern, wird eine nicht-lineare Spreizung von Werten des Laufunruhe-Signals eingesetzt. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass Werte X des Laufunruhe-Signals mit einer Zahl N > 1 potenziert werden. Dabei kann die Zahl N zwischen 1 und 9, insbesondere aber zwischen 1,5 und 3 liegen. Bevorzugt ist hierbei, dass die Werte des Laufunruhe-Signals wieder auf ein Intervall zwischen 0 und 1 normiert sind.
Zusätzlich oder alternativ zu der dargestellten Auswertung des Laufunruhe-Signals erfolgt erfindungsgemäß eine Ermittlung von Häufigkeiten unzulässiger Verbrennungsereignisse nicht nur wie aus dem Stand der Technik bekannt mittels eines statischen Zeitrasters sondern mittels einer oder mehrerer dynamischer und/oder eines multiplen statischen Zeitrasters. Bei einer Auswertung mittels eines statischen Zeitrasters wird – wie an sich bekannt – die Häufigkeit von Aussetzern oder verschleppten Verbrennungen innerhalb von aufeinander folgenden Zeitintervallen bestimmt, wobei die Anfangs- und Endpunkte der Intervalle zeitlich festliegen. Als Zeit sind hier Betriebszeiten, Kurbelwellenumdrehungen oder Zündungen des Verbrennungsmotors anzusehen. Die Häufigkeit von unzulässigen Verbrennungsereignissen innerhalb der einzelnen Intervalle gibt ein Maß (Ereignisrate) für die Laufunruhe des Verbrennungsmotors. Bei einem dynamischen Zeitraster sind die Anfangs- und Endpunkte der Intervalle zeitlich variabel; beispielsweise kann immer eine vorgegebene Anzahl von Kurbelwellenumdrehungen oder Zündungen betrachtet werden. Bevorzugt ist eine Anzahl von Kurbelwellenumdrehungen oder Zündungen im Bereich zwischen 10 und 2000, wobei Bereiche zwischen 20 und 1000 sowie 100 bis 500 besonders bevorzugt werden.
3a, 3b zeigt eine Gegenüberstellung von stationären und dynamischen Zeitrastern mit als Pfeilen bezeichneten Aussetzern. Bei dem in 3a dargestellten stationären Zeitraster mit einer Intervalllänge L₀ ist angenommen, dass 3 Aussetzer auf 200 Zündungen maximal zulässig sind. Werden beispielsweise 6 Aussetzer innerhalb eines derartigen Intervalls erkannt, so werden bestimmte Betriebsparameter des Verbrennungsmotors verändert, wie noch im weiteren genauer dargestellt werden wird. Liegen jeweils 3 Aussetzer in benachbarten Intervallen, so wird nach dem Stand der Technik keine Änderung von Betriebsparametern des Verbrennungsmotors vorgenommen, obwohl die zeitlich enge Aufeinanderfolge dieser Ereignisse mit großer Wahrscheinlichkeit negativere Auswirkungen auf das Abgasreinigungssystem und die Schadstoffemission des Motors als bei der vorhergehend geschilderten Verteilung von unzulässigen Verbrennungsereignissen hat. In 3b ist als Beispiel eines dynamischen Zeitrasters ein rollierendes Zeitraster mit einer Rasterlänge von L₀ Zündungen dargestellt. Bei beiden Darstellungen sind mit E Zeitpunkte bezeichnet, zu denen Betriebsparameter des Verbrennungsmotors verändert werden. Es wird ersichtlich, dass bei Verwendung eines rollierenden Zeitrasters der Zeitpunkt E früher eintritt, sobald nämlich das vierte unzulässige Verbrennungsereignis innerhalb des rollierenden Rasters aufgetreten ist.
Eine verbesserte Häufigkeitsauswertung von unzulässigen Verbrennungsereignissen lässt sich auch durch eine zeitgleiche Ausweitung über mehrere stationäre Raster erreichen. Ermittelt wird dabei die Häufigkeit von unzulässigen Verbrennungsereignissen innerhalb von zumindest einem kurzen (K) und einem langen (L) Raster. Das kurze Raster kann beispielsweise ein 10er, das lange beispielsweise ein 1000er Intervall lang sein. Vorzugsweise werden für die Detektion von unzulässigen Verbrennungsereignissen innerhalb jedes Rasters unterschiedliche Schwellwerte für Ereignisraten verwendet. Vorzugsweise werden bei einem kurzen Raster höhere Schwellwerte eingesetzt als bei einem langen Raster. Beispielsweise ist der Schwellwert auf 3 bei einem Raster der Länge 10 und auf 20 bei einem Raster der Länge 1000 festgesetzt. Bereits das Überschreiten des Schwellwertes eines kurzen Rasters reicht aus, um bestimmte Veränderungen an den Betriebsparametern des Verbrennungsmotors vorzunehmen.
Zusätzlich wird bei der Auswertung vorzugsweise unabhängig von Zeitrastern jeglicher Art geprüft, ob für eine vorgegebene Zahl Q von aufeinander folgenden Zündungen der Kurbelwellenumdrehungen eine 100 %ige Rate von unzulässigen Verbrennungsereignissen beobachtet wird. In diesem Fall werden Veränderungen an den Betriebsparametern des Verbrennungsmotors vorgenommen. Die Zahl Q wird vorzugsweise zwischen Q = 2 und Q = 20, insbesondere zwischen 4 und 10, optimal zwischen 5 und 8, gewählt. Die Zahl Q kann auch vom Wert von Betriebsparametern abhängig gemacht werden.
Da die Auswirkung einer Laufunruhe auf den Verbrennungsmotor und das Abgasreinigungssystem in unterschiedlichen Betriebspunkten des Verbrennungsmotors variieren kann, wird das Laufunruhe-Signal in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Verbrennungsmotors gewichtet. Vorzugsweise erfolgt die Gewichtung in Abhängigkeit von einem Motorbetriebspunkt, einer Abgastemperatur, einer Katalysatortemperatur und/oder einem Abgasmassenstrom.
Bei einer betriebspunktabhängigen Gewichtung des Laufunruhe-Signals kann die Laufunruhe zu den Last- bzw. Drehzahlgrenzen eines Schichtbetriebsfensters hin etwas ansteigen. Daher wird für die Festlegung einer verschleppten Verbrennung oder eines Zündaussetzers ein etwas höherer Schwellwert angesetzt als bei Betriebspunkten mit niedrigerer Last oder Drehzahl. Ebenso kann bei einer unindizierten Drehmomentänderung zumindest temporär eine Anhebung der Laufunruhe zugelassen werden.
Erfindungsgemäß erfolgt in Abhängigkeit von dem Auswertungsergebnis des Laufunruhe-Signals, eine Einstellung von Betriebsparametern des Verbrennungsmotors. Die Einstellung der Betriebsparameter beinhaltet dabei bevorzugt eine Durchführung einer motorbetriebssichernden Maßnahme, die permanent oder temporär sein kann.
Die Einstellung der Betriebsparameter bzw. die Durchführung einer motorbetriebssichernden Maßnahme erfolgt bevorzugt in Abhängigkeit der ermittelten Häufigkeit von unzulässigen Verbrennungsereignissen. Insbesondere wird hierzu das Überschreiten von Schwellwerten für Häufigkeiten oder Raten von unzulässigen Verbrennungsereignissen herangezogen.
Die Schwellwerte für das Ergreifen einer motorbetriebssichernden Maßnahme werden abgas- und/oder katalysatortemperaturabhängig sowie vorzugsweise betriebspunktabhängig gewichtet. Bei niedrigen Abgas- bzw. Katalysatortemperaturen können höhere Ereignisraten zugelassen werden als bei hohen Temperaturen, da die Temperaturerhöhung auf dem/den Katalysatoren) in der lokalen und zeitlichen Ausdehnung begrenzter ist. Ebenso spielt der mit dem Betriebspunkt korrelierende Abgasmassenstrom eine Rolle, da bei niedrigen Abgasmassenströmen auch der chemische Energieeintrag in das Abgassystem klein ist.
Als motorbetriebssichernde Maßnahme ist ein Schichtbetriebsverbot für den Rest der aktuellen Fahrt bekannt. Denkbar ist auch eine nur temporär ergriffene Maßnahme, vorzugsweise korreliert mit der Ereignishäufigkeit. In 4 sind drei verschiedene Szenarien für ein temporäres Ergreifen motorbetriebssichernder Maßnahmen dargestellt. Der Normalbetrieb ist als ein mit Punkten angefülltes Raster dargestellt, motorbetriebssichernde Maßnahmen durch ein schraffiertes Raster und ein mit Karos ausgefülltes Raster bezeichnet eine Bewährungszeit. Aussetzer sind durch Pfeile symbolisiert. Vorstellbar ist z.B. bei 3 Aussetzern auf 200 Zündungen für zunächst 200 weitere Zündungen den Schichtbetrieb zu sperren. Sollten innerhalb der folgenden 400 Zündungen erneut ≥ 3 Aussetzer pro 200 Zündungen anfallen, so wird der Schichtbetrieb für den Rest der aktuellen Fahrt gesperrt, 4a , b. Sollten beispielsweise ≥ 5 Aussetzer pro 200 Zündungen aufgetreten sein, so ist eine längere Schichtbetriebssperrung für z.B. 400 Zündungen und/oder eine längere Bewährungsfrist von z.B. 1000 Zündungen, gegebenenfalls mit einer abgesenkten Aussetzerschwelle von z.B. maximal 2 Aussetzern auf 200 Zündungen, denkbar. 4c zeigt den Fall einer bei Ende einer ersten Bewährungszeit auftretenden Folge von 4 Zündaussetzern, die wieder eine motorbetriebssichernde Maßnahme und eine Bewährungszeit auslösen. Mit dieser Methode soll eine schnelle, aber verantwortbare Schichtbetriebsfreigabe bei kurzzeitig verschlechtertem Laufunruhe-Signal z.B. durch kurzzeitigen Schlechtwegebetrieb ermöglicht werden. Auch hier lassen sich Schwellwerte, Sperr- und Bewährungszeiten betriebspunkt-, motortemperatur-, abgas- und katalysatortemperaturabhängig usw. gewichten.
Ferner wird vorgeschlagen, den Schichtbetrieb nicht grundsätzlich zu verbieten, sondern nur Betriebsbereiche mit erhöhter Ereignisrate zu verbieten. So ist vorstellbar, die minimal/maximal zulässige Drehzahl bzw. Last im Schichtbetrieb über die Ereignisrate einzuengen, entweder temporär, für den Rest der aktuellen Fahrt oder auf Dauer, falls in bestimmten Bereichen des Schichtbetriebskennfeldes immer wieder unzulässige Verbrennungsereignisse auftreten.
Alternativ zum Schichtbetriebsverbot kann im Schichtbetrieb eine Minderung der AGR-Rate, eine Änderung des Einspritzdrucks, eine Änderung des Schichteinspritzbeginns und/oder – ende, eine Änderung der Ventilsteuerzeiten, des Zündzeitpunktes oder der Stellung einer Ladungsbewegungsvorrichtung vorgenommen werden – alles Maßnahmen, die den Verbrauch gegenüber dem optimal abgestimmten Schichtbetrieb anheben, jedoch günstiger sind als ein Homogenbetrieb, so dass die motorbetriebssichernde Maßnahme derart gewählt wird, dass ein Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors minimiert wird Mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren wird eine geringere Belastung des Katalysatorsystems als im Stand der Technik mit weniger differenzierter Berücksichtigung der Laufunruhe erreicht. Damit wird eine Minderung des Edelmetallgehaltes zumindest des oder der dem Motor nachgeschalteten Vorkatalysatoren ermöglicht. Im Stand der Technik werden bei Fahrzeugen mit direkteinspritzenden schichtladefähigen Otto-Motoren die im Neuen Europäischen Fahrzyklus (NEFZ) mit thermisch ungeschädigtem Katalysatorsystem, bestehend aus motornahem/n Vorkatalysator/en und stromab angeordnetem/n NOx-Speicherkatalysator/en (mit einer gespeicherten Schwefelmasse < 0,2 g/Liter Katvolumen) und einen zeitlichen Schichtbetriebsanteil von zumindest 250 Sekunden, vorzugsweise zumindest 350 Sekunden, eine HC-Emission von < 0,07 g/km und eine NOx-Emission von < 0,05 g/km erreichen, Katalysatoren mit Edelmetallgehalten von ≥ 100 g/ft³ (3,95 g/dm³) eingesetzt. Hierbei sind folgende Abkürzungen für die Einheiten verwendet worden: g/km = Gramm/Kilometer (für Schadstoffgrenzwerte) g/ft3 = Gramm/Kubik-Fuß (für Edelmetallbeladung).
Mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren kann der Edelmetallgehalt zumindest des/der Vorkatalysator/en auf ≤ 100 g/ft³ (3,59 g/dm³), insbesondere auf ≤ 80 g/ft³ (2,87 g/dm³), optimal auf ≤ 60 g/ft³ (2,15 g/dm³) abgesenkt werden, wobei nach einer Ofenalterung für 4 Stunden bei 1.100 Grad C in Atmosphäre mit 2 % O2 und 10 % H2O und mit NOx-Speicherkatalysator/en mit abgesenktem Edelmetallgehalt nach Ofenalterung für 4 Stunden bei 850 Grad C in einer Atmosphäre mit 2 % O2 und 10 % H2O in demselben Fahrzeug im NEFZ eine HC-Emission von 0,1 g/km und eine NOx-Emission von 0,08 g/km nicht überschritten werden.

Claims

Verfahren zur Auswertung eines Laufunruhe-Signals eines Verbrennungsmotors, wobei die Auswertung zumindest eine Detektion und eine Ermittlung einer Häufigkeit von unzulässigen Verbrennungsereignissen umfasst, dadurch gekennzeichnet , dass zur Detektion unzulässiger Verbrennungsereignisse eine statistische Verteilung der Werte des Laufunruhe-Signals ermittelt wird und/oder Häufigkeiten unzulässiger Verbrennungsereignisse mittels eines oder mehrerer dynamischer und/oder eines multiplen statischen Zeitrasters ermittelt werden, innerhalb derer unzulässige Verbrennungsereignisse detektiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Ermittlung der statistischen Verteilung die Werte des Laufunruhe-Signals mittels mindestens zweier Schwellwerte in den Schwellwerten zugeordnete Klassen aufgeteilt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für die Detektion unzulässiger Verbrennungsereignisse eine nicht-lineare Spreizung von Werten des Laufunruhe-Signals herangezogen wird, insbesondere dass die nicht-lineare Spreizung dergestalt erfolgt, dass Werte x des Laufunruhe-Signals auf ein Intervall 0 und 1 normiert werden, und jeder Wert x mit einer Zahl N>1, vorzugsweise <9, potenziert wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Schwellwert des Laufunruhe-Signals vorgesehen ist, bei dessen Überschreitung ein Zündaussetzer detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Schwellwert für das Laufunruhe-Signal vorgesehen ist, der kleiner als der erste Schwellwert ist und bei dessen Überschreitung ein Zündaussetzer oder eine verschleppte Verbrennung detektiert wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Schwellwert für das Laufunruhe-Signal vorgesehen ist, bei dessen Überschreitung ein Zündaussetzer detektiert wird, und ein zweiter Schwellwert, der kleiner als der erste Schwellwert ist, und dass bei Überschreitung des ersten Schwellwerts ein Zündaussetzer detektiert wird und bei einem Wert der Laufunruhe, der in dem Intervall zwischen dem ersten und zweiten Schwellwert liegt, eine verschleppte Verbrennung detektiert wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das dynamische Zeitraster als rollierendes Zeitraster über ein vorgegebenes vorzugsweise variables Intervall von Betriebszeiten, Kurbelwellenumdrehungen oder Zündungen des Verbrennungsmotors, ausgebildet ist.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als multiples statisches Zeitraster eine Mehrzahl von zeitgleichen statischen Zeitrastern mit unterschiedlicher Länge vorgesehen sind.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Auswertungsergebnis unabhängig von Zeitrastern eine vorgegebene, vorzugsweise variable Zahl Q von aufeinander folgenden unzulässigen Verbrennungsereignissen berücksichtigt.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass verschiedenen Zeitrastern unterschiedliche Schwellwerte von Ereignisraten unzulässiger Verbrennungsereignisse zugeordnet sind.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zeitraster einer Länge K einen höheren Schwellwert aufweist als einem Zeitraster größerer Länge L zugeordnet ist.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufunruhe-Signal zur Auswertung in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Verbrennungsmotors, vorzugsweise einem Betriebspunkt, einer Motortemperatur, einer Abgastemperatur, einer Katalysatortemperatur und/oder einem Abgasmassenstrom, gewichtet wird.
Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors, wobei eine Ermittlung und Auswertung eines Laufunruhe-Signals und in Abhängigkeit von einem Auswertungsergebnis eine Einstellung von Betriebsparametern des Verbrennungsmotors erfolgt und die Auswertung zumindest eine Detektion und eine Ermittlung einer Häufigkeit von unzulässigen Verbrennungsereignissen umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung des Laufunruhe-Signals nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung der Betriebsparameter zumindest eine motorbetriebssichernde, permanente oder temporäre Maßnahme umfasst.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die motorbetriebssichernde Maßnahme von vorgegebenen Randbedingungen abhängig ist.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Randbedingungen zumindest einen Betriebspunkt des Verbrennungsmotors, eine Motortemperatur, eine Abgastemperatur, eine Katalysatortemperatur und/oder einen Abgasmassenstrom beinhalten.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine temporäre Maßnahme zumindest eine Sperr- und/oder eine Bewährungszeit beinhaltet.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die motorbetriebssichernde Maßnahme eine Verminderung oder ein Verbot eines Schichtlade- oder eines Magerbetriebs des Verbrennungsmotors beinhaltet.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die motorbetriebssichernde Maßnahme eine Änderung einer Abgasrückführrate, eines Einspritzdrucks, eine Änderung eines Schichteinspritzbeginns und/oder -endes, eine Änderung einer Ventilsteuerzeit und/oder einer Stellung einer Ladungsbewegungsvorrichtung beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die motorbetriebssichernde Maßnahme derart gewählt wird, dass ein Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors minimiert wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufunruhe-Signal in Abhängigkeit von einer Drehzahl des Verbrennungsmotors oder einem Emissionswert von zumindest einer Schadstoffkomponente eines Abgases des Verbrennungsmotors gebildet wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor ein Abgasreinigungssystem aufweist.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasreinigungssystem zumindest einen NOx-Speicherkatalysator und optional einen Vorkatalysator aufweist.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein schichtladefähiger Verbrennungsmotor vorgesehen ist, der einen Betrieb im Neuen Europäischen Fahrzyklus mit einem thermisch ungeschädigten Abgasreinigungssystem, welches zumindest einen motornahen Vorkatalysator und einen stromab angeordneten NOx-Speicherkatalysator aufweist, mit einer gespeicherten Schwefelmasse < 0,2 g/Liter Katalysatorvolumen bei einem zeitlichen Schichtbetriebsanteil von zumindest 250 Sekunden, vorzugsweise zumindest 350 Sekunden, eine Kohlenwasserstoffemission von < 0,07 g/km und eine NOx-Emission von 0,05 g/km ermöglicht.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorkatalysator einen Edelmetallgehalt von < = 100 g/ft³, < = 80 g/ft³ oder < = 60 g/ft³ aufweist.
Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass der NOx-Speicherkatalysator einen Edelmetallgehalt von < = 100 g/ft³, < = 80 g/ft³ oder < = 60 g/ft³ aufweist.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor nach Ofenalterung von zumindest einem Vorkatalysator von 4 Stunden bei 1.100 Grad C in einer Atmosphäre mit 2 % O2 und 10 % H2O und/oder von zumindest einem NOx-Speicherkatalysator nach Ofenalterung bei 850 Grad C in einer Atmosphäre mit 2 % O2 und 10 % H2O im Neuen Europäischen Fahrzyklus mit einem zeitlichen Schichtbetriebsanteil von zumindest 250 Sekunden, vorzugsweise zumindest 350 Sekunden, eine Kohlenwasserstoffemission von < 0,1 g/km und eine NOx-Emission von < 0,08 g/km aufweist.
Verbrennungsmotor zur Ausführung des Verfahrens nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 13 bis 27 mit einer Vorrichtung zur Ermittlung und Auswertung eines Laufunruhe-Signals und in Abhängigkeit von einem Auswertungsergebnis zur Einstellung von Betriebsparametern des Verbrennungsmotors, wobei die Auswertung zumindest eine Detektion von unzulässigen Verbrennungsereignissen umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass zur Detektion unzulässiger Verbrennungsereignisse eine statistische Verteilung der Werte des Laufunruhe-Signals ermittelt wird und/oder Häufigkeiten unzulässiger Verbrennungsereignisse mittels eines oder mehrerer dynamischer und/oder eines multiplen statischen Zeitrasters ermittelt werden, innerhalb derer unzulässige Verbrennungsereignisse detektiert werden.
Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abgasreinigungssystem, vorzugsweise mit einem NOx-Speicherkatalysator optional mit einem stromauf angeordneten Vorkatalysator vorgesehen ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Sensor zur Bildung des Laufunruhe-Signals in Abhängigkeit von einer Drehzahl des Verbrennungsmotors und/oder einem Emissionswert von zumindest einer Schadstoffkomponente vorgesehen ist.