内燃机的充气行为的傅里叶诊断的制作方法

本发明涉及一种用于诊断内燃机的充气行为的方法和诊断装置，以及一种利用这样的诊断装置的具有多个气缸的内燃机。

背景技术：

在内燃机中非均匀的发动机运转和失火(verbrennungsaussetzer)是基本问题，这可能至少导致错误地建立推进转矩。存在错误地建立转矩的情况，这可规律地从发动机转速的输出参量读出，即从曲轴的转速变化读出。

然而，仅了解某些故障的存在通常不足以提供补救措施。为了消除所述故障，需要明确地诊断功能故障，其中，对于失火和/或非均匀的发动机运转的原因可能极为不同。

利用当前的诊断系统进行准确的诊断非常复杂并且需要来自内燃机的不同子系统的各种信息。在客户带着功能受损的发动机前往车间时，已经很难将一方面在气缸中(例如在滑动副中)的机械问题与另一方面在气体填充装置(充气装置)或在空气路径中的问题进行区分。

因此，关于要进行的首次诊断的成功概率，带着非均匀运转的发动机前往车间对于用户来说可能是令人不愉快的。

技术实现要素：

在此背景下，本发明的目的在于，能实现一种对于非均匀的(亦即相对于理论变化地)发动机运转和/或失火的故障原因的改进识别，并且特别是提供一种对具有多个气缸的内燃机的充气行为的改进诊断。

所述目的通过一种具有权利要求1特征的用于诊断内燃机的充气行为的方法、一种具有权利要求7特征的用于诊断内燃机的充气行为的诊断装置以及一种具有权利要求10特征的内燃机来实现。各从属权利要求的技术方案是有利的实施方式。

按照本发明的一个方面，提供一种用于诊断具有多个气缸的内燃机的充气行为的方法，所述方法特别是适用于识别对于非均匀的发动机运转和/或失火的故障原因。所述方法至少具有以下步骤：

a)求取所述内燃机的转速变化曲线。在此特别是，转动变化曲线应当理解为关于内燃机的曲轴传动机构的曲轴角度和/或关于时间的转速的变化。特别是按照一种实施方式，在预先确定的诊断时间窗上求取在时间上和/或关于曲轴角度精细分辨的转速变化曲线。优选地，所述诊断时间窗是内燃机的一个工作循环，亦即、特别是曲轴传动机构的两次旋转或者如下的曲轴角度或时间间隔，在所述曲轴角度或时间间隔中内燃机的每个气缸都历经四冲程过程的所有冲程。但是，作为诊断时间窗，也可以规定多个工作循环。

b)由所求取的转速变化曲线借助于傅里叶变换求取至少一个充气特征参量的表现。作为充气特征参量，例如可以是确定的、借助于傅里叶变换求取的发动机阶次的幅值和/或在所求取的幅值与预先确定的、例如存储在运行模型中的幅值之间的幅值差。

c)根据所求取的充气特征参量的表现将一种偏差类型与该转速变化曲线相关联。在此，偏差类型应当理解为转速变化曲线的预先确定的表现和/或转速变化曲线的傅里叶变换的预先确定的表现，所述预先确定的表现与确定的故障类型相关联，所述故障类型导致变化地发动机运转和/或失火。在此特别是，不同的预先确定的转速变化曲线和/或转速变化曲线的傅里叶变换与不同的偏差类型(例如在进气系统中的泄漏)相关联。按照一种实施方式，为了关联偏差类型，实施以下步骤：

c1)将所求取的充气特征参量的表现与充气特征参量的预先确定的、与不同偏差类型相关联的表现进行比较。特别是，在所求取的表现与事先求取的表现之间进行理论-实际比较，所述表现被视为代表着不同的所确定的——引起非均匀的发动机运转和/或失火的——故障类型。

c2)相应于比较结果将一种偏差类型与该转速变化曲线(101)相关联。特别是，如果所述比较在所求取的充气特征参量的表现与充气特征参量的预先确定的表现之间得出一种——要按照专业上常见的考虑确认的——足够的符合性，则关联一种偏差类型。

按照一种实施方式，为了求取比较结果，实施以下步骤：

c2.i)形成在所求取的表现与预先确定的表现之间的差。特别是，对于内燃机的一个或多个工作点，借助于傅里叶变换实施发动机阶次分析，并且对于确定的次级阶次(unterordnung)所求取的幅值与对于确定的偏差类型或故障类型所预先确定的幅值按照形成差的意义进行对照。

c2.ii)如果所述差超过预先确定的阈值，则将一种偏差类型与该转速变化曲线相关联，所述阈值特别是与确定的偏差类型相关联。特别是，可以对于一个运行区域的多个工作点分别求取，幅值差是否超过阈值。

于是，结果特别是关于对于非均匀的发动机运转和/或失火的故障原因落到哪个区域中的粗略说明；例如，作为所述方法的结果可以区分，所述偏差或故障是否可与活塞摩擦、燃烧混合物准备或者新鲜空气输送和/或回输的废气相关联。此外，通过排除方法也可标出该故障原因的无法推测故障的区域。

按照本发明的另一方面，提供一种用于特别是车载地诊断具有多个(特别是四个)气缸的内燃机(特别是四冲程发动机)的充气行为的诊断装置，所述诊断装置特别是用于识别对于非均匀的发动机运转和/或失火的故障原因。所述诊断装置具有至少一个检测单元，所述检测单元设置用于检测内燃机的曲轴的转速，特别是借助相应的传感器单元和/或对所存储的、合适的运行模型的访问。

此外，所述诊断装置具有计算单元，所述计算单元至少设置用于，i)控制所述检测单元。所述计算单元附加地设置用于，ii)由所求取的转速变化曲线借助于傅里叶变换求取至少一个充气特征参量的表现，并且

-根据所求取的充气特征参量的表现将一种偏差类型与该转速变化曲线相关联。

按照本发明的另一方面，提供一种具有多个(特别是三个、四个或六个)气缸的内燃机，所述内燃机具有至少一个按照本发明的实施方式的诊断装置。

由于在不同气缸的各个冲程之间的同时变换，本发明能够以特别简单的方式在一种、特别是构造为四冲程发动机的具有四个气缸的内燃机中实施。当然，按照其他实施方式，其他的气缸数量也是可行的。

本发明尤其基于如下考虑：四冲程内燃机的循环(进气、压缩、工作循环、排气)在时间上在各个气缸之间交叠——所述循环在不同的气缸中彼此并行地出现。

现在，本发明尤其基于如下想法：与转速孔并且与单个的气缸无关地、但是仍然基于内燃机的转速变化曲线来求取关于要推测的偏差类型或故障类型的信息，以便能够继续使用存在的用于转速检测的能力。

按照本发明的如下方案：由所求取的内燃机的转速变化曲线通过傅里叶变换完成发动机阶次分析，并且由所述阶次分析获得充气特征参量，能实现至少对于单个气缸方面的故障原因关联确定的偏差类型或故障类型。例如，利用这种方法可行的是，基于所确定的阶次的幅值(作为充气特征参量)，在所求取的阶次分析中求取所求取的幅值与预先确定的、与确定的偏差类型相关联的偏差类型幅值之间的差。

特别是，如果比较所述两个幅值得出超过一定阈值的幅值差，则可与一种偏差类型相关联。按照这种方式，例如可识别出如下故障，所述故障与在进气系统中的泄漏的偏差类型相关联。

特别是，对于不同的偏差类型和/或对于内燃机的不同工作点，不同的偏差类型幅值可分别存储在运行模型中、例如存储在发动机控制装置中。特别是，可以将对于不同偏差类型的要应用的幅值差的不同阈值和/或对于内燃机的不同工作点的不同阈值分别存储在运行模型中、例如存储在发动机控制装置中。

这允许将对于非均匀的发动机运转和/或失火的故障原因粗略地限制到所述预先确定的偏差类型(在此也称为故障类型)。偏差类型或故障类型例如可以是：1)利用新鲜空气和/或回输的废气对气缸填充过低或者填充过高；2)对气缸的压缩过低；3)在气缸中的机械摩擦过高；4)提前点火和/或其他不规则地燃烧。

为此，利用转速检测装置特别是利用具有经扩展功能的已存在的传感机构(转速检测装置)。在发动机上、特别是在曲轴上存在的转速检测装置的能力至今未被用于进行故障原因的这种粗略划分。

借助本发明，特别是通过识别在气体填充(充气)或者排除空气路径中的问题，明显较容易地对于包括失火的非均匀运转进行原因发现。

按照一种实施方式，在行驶运行中诊断结果的要实施的在线数据检测允许车间访问真实的行驶情况并且由此特别是允许服务范围的较有针对性的处理和/或较快地实施维护。结果，这实现较低的保修成本、较高的客户满意度和/或较少的重复维修。

诊断方法按照本发明的不同实施方式借助于不同的充气特征参量是可行的。

为了基于转速变化曲线获得可靠的诊断信号，按照用于求取转速变化的其他实施方式，在诊断时间窗期间求取、特别是测量连续的(亦即特别是以非常小的时间间隔求取的)转速变化曲线。

作为充气特征参量，可以使用所求取的转速变化曲线。

这样求取的傅里叶变换的特性、特别是在关于不同的发动机阶次的频率范围内，可以接着与相应于傅里叶变换的、与确定的故障类型相关联的特性进行比较。

如果在空气输入装置中存在值得一提的空气质量流，亦即、例如在进气管中存在高压，则可以好地使用在频率范围中的分析方法的这种实施方式、特别是从中等发动机负载起直至高转速，并且特别是基于借助于傅里叶分析和特征形成对转速进行信号分析。对于所述实施方式，在系统中必须存在高的压力，因为否则在废气侧也不存在提高的反压力。特别是为了补偿泄漏损失，例如在具有废气涡轮增压器的系统中，需要更多的废气焓。特别是，必要时必需的压力适配可通过废气门调节器来调节。

按照一种实施方式，借助于dft和/或fft计算来求取确定的发动机阶次的幅值差并用于识别偏差类型、特别是借助于对所求取的差与所存储的值进行比较。

按照一种实施方式，为了能够有利地借助于被诊断的发动机的基本激励频率的倍数来实施诊断，作为充气特征参量，求取确定的发动机阶次的幅值——在四缸的情况下、特别是第十二发动机阶次的幅值——并且用于关联一种偏差类型。

按照在确定的运行情况中是所必需的计算能力的优化还是绝对精度的优化处于重要地位，按照不同的实施方式借助于dft和/或fft计算来求取充气特征参量的表现。

按照一种实施方式，为了对于足够精确地诊断来求取足够的数据组，在诊断时间窗期间求取转速变化曲线，所述诊断时间窗特别是相应于四冲程内燃机的至少一个工作循环、亦即曲轴的至少两次旋转。

按照一种实施方式，所述诊断装置设置用于为了关联偏差类型而将所求取的充气特征参量的表现与充气特征参量的预先确定的、与不同偏差类型相关联的表现进行比较，并且相应于比较结果将一种偏差类型与该转速变化曲线相关联。

按照一种实施方式，所述诊断装置设置用于为了求取比较结果而形成在所求取的表现与预先确定的表现之间的差，并且如果所述差超过预先确定的阈值，则将一种偏差类型与该转速变化曲线相关联。

按照本发明的实施方式的方法的一种示例性的应用作为实施例在对附图的说明中示出。

附图说明

本发明的其他特征、优点和应用可行性可由下面与附图相结合的描述得出。图中：

图1a-c以示意图示出具有按照本发明的示例性实施方式的诊断装置的内燃机，其中，在图1a中示出内燃机的安装环境，在图1b中示出相关的参数以及在图1c中示出在内燃机的曲轴传动机构上关于时间的扭矩贡献；

图2a-b示出按照图1a的发动机的转速变化曲线(见图2a)以及在所述转速变化曲线上的发动机阶次分析的示图(见图2b)，分别针对无故障的运行状态和针对具有增压空气系统的泄漏的运行状态；并且

图3示出关于发动机负载和发动机转速的诊断特性曲线族，其中，关于在图2b中记录的幅值差表征超过阈值的范围。

具体实施方式

在图1a中示出在其安装环境中的内燃机1，其中，所述内燃机1在所述实施例中是具有4个气缸z1、z2、z3和z4的四冲程发动机。

在图1a的图示中，由所述安装环境特别是示出进气系统9，所述进气系统具有在空气入口处的空气过滤器lf、排气涡轮增压器atl以及增压空气冷却装置和到气缸z的空气收集器ls。此外，可以看出在不同部件之间的管路上的潜在的泄漏区域l。在气缸z1上，示例性地用信号通知在活塞上和/或在气缸内壁上的潜在的机械故障r，所述机械故障可能导致摩擦显著提高。

在图1b中以详细的示意图示出内燃机1。所述内燃机1具有气缸z1、z2、z3和z4，其中，所有气缸z向曲轴传动机构kt提供其扭矩贡献m，所述内燃机1附加地具有按照本发明的示例性实施方式的诊断装置2，所述诊断装置2具有计算单元4、转速检测单元6以及可选的用于来自周围环境和空气收集器或曲轴箱的参考压力的压力检测单元7。可选的压力检测单元7特别是借助于从运行模型、例如发动机控制装置中读出要求取的值来工作。

从图1b中尤其可以看出，根据每个气缸z的相应气缸压力p，可以周期性地将转矩贡献m施加到曲轴传动机构kt上。所述扭矩贡献的总和导致所述曲轴传动机构kt的曲轴的在时间上变化的转速n。

瞬时的转速n可以借助于转速检测单元6和计算单元4求取并且由诊断装置2使用。

在图1c中示出的在确定的工作点(确定的转速；确定的负载状态)的情况下在正常运行的情况下关于曲轴角度kw在曲轴传动机构kt上的示例性的转矩变化曲线10。可以看出，所述转矩贡献m交替地来自于不同的气缸z。所示出的是构造为四冲程发动机的四缸发动机1的正好一个工作循环(＝720°的kw范围)。

在该实施例中，所示出的工作循环相应于用于求取转速变化曲线101的诊断时间窗20(也参见图2a)。

在该实施例中，对于按照图1的内燃机1分析第十二发动机阶次mo12(特别是所述发动机阶次涉及关于转速标准化的频率，以便能够在整个特性曲线族范围中以相同的特征工作)。该示例性描述的方法对于4缸发动机来说是优化的，但是必要时也可类似地匹配地用于其他的气缸数量。在该示例性的实施方式中所描述的诊断的基础在于，发动机1的基本激励频率的第三倍数(相对于一个工作循环＝在四缸四冲程发动机的情况下的四冲程)。

在图2a中示出在诊断时间窗20期间具有转速变化100的图表。所述图表示出转速变化曲线101，所述转速变化曲线借助于转速检测单元6来求取。此外，所述图表示出由发动机控制装置的运行装置读出的转速变化曲线101’，在那里对于在3000转每分钟和限定负载的情况下所观察的发动机的参考点作为对于在进气空气系统中的泄漏l情况的偏差典型的转速变化曲线而储存。

按照该示例性的方法的意义，将所求取的转速变化曲线101与另外的、在运行模型中针对其他潜在的故障情况存储的转速变化曲线进行比较，然而为了简单起见在图2a中未示出所述转速变化曲线。因此，下面示例性地对于识别在进气系统中的偏差类型泄漏l描述所述实施例。

从图2a可得知，所求取的转速变化曲线101和偏差典型的转速变化曲线101’彼此不同。为了能够更好地分析不同的变化曲线101和101’，所述两个变化曲线在使用fft方法或必要时借助于dft方法的情况下经受傅里叶变换。

在图2b中以对于发动机阶次mo1至mo25进行阶次分析的方式通过幅值a示出所述傅里叶变换的结果。对于每个发动机阶次，所求取的幅值amo以三角形示出，而偏差典型的幅值amo’以圆形示出。

由此，可以在比较中求取幅值差δamo＝amo-amo’。

如果所述幅值差δamo大于关于偏差类型的、针对所观察的(通过转速n和负载情况we限定的)发动机工作点而确认且保存在运行模型中的阈值，则该示例性的方法对于所检查的工作点来说给出存在相应的偏差类型的结果。

在图2所示的实施例中，在阶次分析200中相应地检查第十二发动机阶次mo12。对于所述发动机阶次，得出δa12＝a12-a12’的幅值差。如果对于在进气系统中的泄漏l的偏差类型而言δa12大于为该运行情况确认的阈值，则对于该工作点而言将发动机1与偏差类型l相关联。

在图3中关于对偏差类型l的识别示出用于第十二发动机阶次mo12的诊断特性曲线族300，按照由所研究的转速n和所研究的负载情况we的组合所限定的工作点来揭示。对于在特性曲线族300的所存储的深色区中的发动机工作点，幅值差δa12大于阈值，从而识别出偏差类型l。对于在特性曲线族300的所存储的亮色区域中的发动机工作点，幅值差小于阈值，从而未识别到偏差类型。

图3的示图示出关于整个特性曲线族在多个诊断时间窗20上的分析，其中，对于所观察的多个方法实施方式通过应用t测试明显提高所示结果的统计学意义。因此，异常值对所示结果的影响几乎被完全消除。

所描述的借助于fft变换的阶次分析可以类似地对于每个工作循环或对于每次旋转(在四缸的情况下相应于第十二或第六阶次)实施，并且要么利用来自运行模型、例如发动机控制装置由查找表的所存储的知识来比较。替代地，可以借助于转速模拟来补偿在所测量的参量与所模拟的参量之间的残差。在超过极限值的情况下——类似于上面的描述——存在故障，所述故障特别是可以将偏差类型与泄漏相关联。

对于在其他发动机中的应用，可以按照类似于该示例的示例性的方法，在其他类似的应用中分析发动机的基本激励阶次的分别相应的多倍、特别是第六阶次(二缸)、第九阶次(在工作循环中三缸四冲程)或第18阶次(六缸四冲程，每工作循环触发)。

附图标记列表

1内燃机

2诊断装置

4计算单元

6用于曲轴的转速的检测单元

7压力检测单元

9进气系统

10关于发动机循环的内燃机转矩变化曲线

20诊断时间窗

100转速变化图表

101转速变化曲线

a对于发动机阶次的幅值

δa幅值差

atl废气涡轮增压器

kt曲轴传动机构

kw曲轴角度

l潜在泄漏

lf空气过滤器

ls空气收集器

m在图1中的气缸的转矩

mo发动机阶次

n转速

p在图1中气缸压力

r由活塞/气缸摩擦导致的潜在的机械故障

we负载情况[kj/l]

z气缸