DE10015573A1 - Verfahren zur Detektion von Zündaussetzern anhand der Kurbelwellendrehzahl - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein neuartiges Verfahren und eine dafür geeignete Vorrichtung zur zylinderindividuellen Bestimmung von Zündaussetzungen bei einer Kolbenkraftmaschine mittels einer Klassifikationseinheit, anhand von Meßdaten, welche Information über die Kurbelwellendrehzahl enthalten. Dabei werden die Meßdaten in der Klassifikationseinheit einer Vorverarbeitung unterzogen und mittels eines Klassifikators klassifiziert, wobei im Rahmen der Vorverarbeitung die Daten einer Hauptachsen-Transformation HAT unterzogen werden. DOLLAR A Durch den erfindungsgemäßen Einsatz dieses resourcenschonenden Verfahrens zur Erkennung von Zündaussetzern bei Kolbenkraftmaschinen beträgt der Verarbeitungsaufwand für ein Arbeitsspiel und trotz eines Meßvektors v der Länge 240 weniger als 5Kflops. Durch die Tatsache daß die erfindungsgemäße Vorrichtung nur eines einzelnen Meßdatenaufnehmers beispielsweise in Form eines einfachen, auf die Kurbelwelle aufgebrachten Zahnringes mit angekoppelten Bewegungssensor bedarf, ist auch die mechanische Ausführung kostenfünstig herzustellen und auch einfach von thermischen und sonstigen, negativen Umgebungseinflüsse entkoppelbar.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur zylinderindividuellen Bestimmung von Zündaussetzern bei einer Kolbenkraftmaschine mittels eines Klassifikators anhand der Kurbelwellendrehzahl, wobei die Information über die Kurbelwellendrehzahl vor der Klassifikation einer Transformation unterzogen wird, welche die Information in unkorrelierte Komponenten zerlegt.

Im Rahmen der Motorzustandsüberwachung ist es wichtig, Zündaussetzer bei den einzelnen Zylindern eines Motors zu erkennen, um die resultierende Laufunruhe des Motors durch Beeinflussung des Verbrennungsprozesses in den einzelnen Zylindern beeinflussen zu können.

Aus EP 0474652 B1 ist ein Verfahren bekannt, bei welchem Laufunruhewerte eines Motors unter Berücksichtigung der Zeitspannen für die Verbrennungstakte unterschiedlicher Gruppen von Zylindern berechnet werden. Der so errechnete Laufunruhewert wird sodann in einer Leerlaufregelung verwendet.

In der Schrift DE 195 48 604 C1 wird ein Verfahren zur Bestimmung von ungleichförmigen Zylindermomenten anhand von Motordrehzahlen beschrieben. Auf Grundlage des Signals des Drehzahlreglers werden die Momente der einzelnen Zylinder bestimmt. Zur Durchführung des Verfahrens ist es notwendig, daß während des Motorbetriebs einzelne Zylinder des Motors gezielt abgeschaltet werden können.

Das in der Patentschrift DE 196 33 066 C2 aufgezeigte Verfahren leitet aus dem Kurvenverlauf der momentanen Kurbelwellendrehzahl zylinderspezifisch, drehzahlabhängig unterschiedliche Kenngrößen ab, welche mit dem jeweiligen Mitteldruck der Brennräume des Motors korreliert sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein neuartiges Verfahren zur zylinderindividuellen Bestimmung von Zündaussetzern bei einer Kolbenkraftmaschine zu finden, bei welchem eine Klassifikationseinheit auf Meßdaten, welche Informationen über die Kurbelwellendrehzahl enthalten, zurückgreift.

Die Aufgabe wird mit Hilfe einer Klassifikationseinheit gelöst, in welcher die Daten einer Vorverarbeitung unterzogen und mittels eines Klassifikators klassifiziert werden, wobei im Rahmen der Vorverarbeitung die Daten einer Transformation unterzogen werden, welche diese Daten in unkorrelierte Komponenten zerlegt.

In vorteilhafter Weise erlaubt die Erfindung die Erkennung von Zündaussetzern und die Identifikation fehlerhaft arbeitender Zylinder auch bei Motoren, welche eine sich zeitlich überlappende Auswirkung der Einzelzylinder Impulsantworten auf das Drehzahlsignal aufweisen (z. B.: 16-Zylinder Motoren). Es muß dabei das davon herrührende komplexe Schwingungsverhalten der Kurbelwelle nicht durch aufwendige mathematische Modelle (Differentialgleichungen) nachgebildet werden.

Vorteilhaft ist der Umstand, daß unabhängig von der Anzahl der Zylinder und der aktuellen Motordrehzahl einzig das Signal der Kurbelwellendrehzahl für die Durchführung des Verfahrens notwendig ist. Es ist deshalb beispielsweise möglich, allein durch das einfache Anbringen eines Zahnkranzes auf der Kurbelwelle in Verbindung mit einem Annäherungssensor (vorzugsweise Hall-Sensor), welcher die Drehung des Zahnkranzes in Folge der Passage der einzelnen Zähne erfaßt, das dynamische Verhalten der Kurbelwellendrehzahl zu aufzuzeichnen. Da diese Vorrichtung im allgemeinen bereits als Bestandteil der Regelung ausgebildet ist, erfordert das erfindungsgemäße Verfahren üblicherweise keine entsprechende mechanische Modifikation der Kolbenkraftmaschine.

Im allgemeinen besteht ein einzelnes Arbeitsspiel eines Motors, welches es zur Detektion von Zündaussetzern zu analysieren gilt, aus zwei Umläufen der Kurbelwelle. Weist beispielsweise der zur Detektion des dynamischen Verhaltens der Kurbelwellendrehzahl auf die Kurbelwelle aufgebrachte Zahnkranz 120 Zähne auf, so setzt sich die einem einzelnen Arbeitsspiel zuzuordnende Information aus 240 Einzelsignalen zusammen, welche von dem mit dem Zahnkranz in Verbindung stehenden Annäherungssensor geliefert werden. Dabei ist der Amplitudenwert eines jeden Einzelsignals direkt proportional zur Zeit Δt, welche zwischen der Passage zweier benachbarter Zähne des Zahnkranzes am Annäherungssensor liegt. Somit lassen sich die Einzelsignalen als direkte Information über das dynamische Verhalten der Kurbelwellendrehzahl interpretieren.

Um eine automatische Klassifikation der Information durchführen zu können, werden die einem Arbeitsspiel zuzuordnenden Einzelsignale (Merkmale des zu klassifizierenden Vorgangs oder Objekts) in einer eindeutigen Reihenfolge zu einem sogenannten Merkmalsvektor v zusammengefaßt, d. h. ein Arbeitsspiel entspricht einem Vektor.

In vorteilhafter Weise werden die so generierten Merkmalsvektoren einer wenig rechenaufwendigen Hauptachsen-Transformation (HAT), auch Karhunen-Loève- Transformation (KLT) genannt, unterzogen. Ziel dieser Transformation ist es, die Merkmalsvektoren durch Projektion in einen anderen, auf das zu klassifizierende Verfahren bzw. Objekt speziell adaptierten, Raum abzubilden (Transformationsraum). In diesem Raum treten die zu klassifizierenden unterschiedlicher Zustände und Erscheinungsformen differenzierter zutage.

Bei dem der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe der Detektion von Zündaussetzern wird in vorteilhafter Weise nach der Erzeugung des spaltenförmigen Merkmalsvektors dessen Mittelwert µ (Gl.1) berechnet und nachfolgend die zugehörige Kovarianzmatrix K gebildet (Gl. 2):

µ = E{v} (Gl.1)

K = E{(v - µ)(v - µ)^T} (Gl.2)

Aus der Kovarianzmatrix K erhält man die Eigenfunktionen, welche die Raumachsen des Transformationsraumes darstellen. Die nun auf diese Kovarianzmatrix K anzuwendende Hauptachsen-Transformation HAT dreht die Kovarianzmatrix K in ein Hauptachsen- oder Eigensystem, in dem die Signale miteinander unkorreliert sind (Gl.3). Dabei stellt die HAT gleichzeitig eine Rangordnung unter den einzelnen Koordinatenrichtungen auf. Dabei sind die Signale (Eigenvektoren der transformierten Matrix), welche die größten Eigenwerte und damit die größten Varianz aufweisen, die aussagekräftigsten.

w = B^T(v - µ) (Gl.3)

mit v = Signale als Matrix geordnet (1 Arbeitsspiel pro Spalte)
B = Matrix der ersten M Eigenvektoren der Kovarianmatrix K, sortiert sortiert nach abfallenden Eigenwerten
w = tranformierte Vektoren (Merkmalsvektoren die einem Klassifikator zugeführt werden können)

Ein großer Vorteil bei der Anwendung der Hauptachsen-Transformation zur Aufbereitung der Meßdaten besteht in der Tatsache, daß die Meßdaten direkt transformiert werden. Vorverarbeitungschritte, wie beispielsweise die aufwendige Berechnung von Frequenzspektren (FFT) entfallen.

Bei der Anwendung der HAT im Rahmen der erfindungsgemäßen Aufgabenstellung hat sich gezeigt, daß nur eine sehr geringe Anzahl M von Eigenwerten einen signifikanten Wert aufweisen, so daß nur eine kleine Anzahl von Eigenvektoren zur Berechnung der Merkmalsvektoren w herangezogen werden müssen. Dies resultiert wiederum in einer geringen Dimension von w was direkt die Dimensionierung des nachgeschalteten Klassifikators in vorteilhafter Weise beeinflußt.

Der der HAT nachgeschaltete Klassifikator kann als Standardklassifikator ausgebildet werden. Der Einsatz eines quadratischen Polynomklassifikators, wie er allgemein aus der Literatur bekannt ist, hat sich als vorteilhaft erwiesen. Durch seine einfache Struktur erfordert der Klassifikator wenig Rechenkapazität und Speicherplatz. Der Klassifikator ist in einer dem Fachmann geläufigen Weise vor seinem Einsatz mit Meßdaten, die den zu klassifizierende Betriebsdaten entsprechen, zu trainieren.

Es hat sich gezeigt, daß sich bereits bei der Verwendung von Merkmalsvektoren w, welche lediglich 7 Merkmale enthalten, sehr gute Klassifikationsergebnisse erreichen lassen. Bemerkenswerterweise lassen sich Zündaussetzer bei Motordrehzahlen innerhalb eines sehr weiten Drehzahlbereichs (800-1800 U/min) mittels eines einzigen Klassifikators zuordnen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist des auch denkbar anstelle der Hauptachsen-Transformation HAT auf die Independent Component Analyse, auch Blind-Signal Separation genannt, zur Generierung unkorrelierter Signalkomponenten zurückzugreifen. In diesem Falle sind die Signalkomponenten die zur Bildung der Merkmalsvekoren herangezogen werden nicht nur unkorreliert sondern auch noch unabhängig voneinander.

Zur weiteren Verbesserung der Klassifikationsergebnisse können in vorteilhafter Weise die Meßsignale vor der Transformation in unkorrelierte Komponenten mittelwertbereinigt werden. Auch ist es denkbar zur Beseitigung hochfrequenter Störungen die Meßsignale vor einer Weiterverarbeitung einer Tiefpaß-Filterung zu unterziehen, wobei hier darauf zu achten ist, daß ein nullphasiges Filter zur Verwendung kommt. Hilfreich ist es auch die Signale über mehrere Arbeitsspiele des Motors zu mitteln (z. B. 5-10 Arbeitsspiele).

Durch den erfindungsgemäßen Einsatz dieses resourcenschonenden Verfahrens zur Erkennung von Zündaussetzern bei Kolbenkraftmaschinen beträgt der Verarbeitungsaufwand für ein Arbeitsspiel und trotz eines Meßvektors v der Länge 240 weniger als 5Kflops.

Durch die Tatsache daß die erfindungsgemäße Vorrichtung nur eines einzelnen Meßdatenaufnehmers beispielsweise in Form eines einfachen, auf die Kurbelwelle aufgebrachten Zahnringes mit angekoppelten Bewegungssensor bedarf, ist auch eine eventuell notwendige mechanische Modifikation der Kolbenkraftmaschine kostengünstig durchzuführen. Auch ist die erfindungsgemäße Vorrichtung durch ihre einfache Gestaltung problemlos von thermischen und sonstigen, negativen Umgebungseinflüsse entkoppelbar.

Claims (12)

1. Verfahren zur zylinderindividuellen Bestimmung von Zündaussetzern bei einer Kolbenkraftmaschine mittels einer Klassifikationseinheit, anhand von Meßdaten, welche Information über die Kurbelwellendrehzahl enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßdaten in einer Datenverarbeitungseinheit einer Vorverarbeitung unterzogen und mittels eines Klassifikators klassifiziert werden, wobei im Rahmen der Vorverarbeitung die Daten einer Transformation unterzogen werden, welche diese Daten in unkorrelierte Komponenten zerlegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tranformation eine Hauptachsen-Transformation HAT ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Tranformation um eine Independent Component Analyse handelt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß von den Daten im Vorfeld der Transformation der Mittelwert pro Arbeitsspiel abgezogen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Daten im Vorfeld der Transformation einer Tiefpaßfilterung, mittels eines nullphasigen Filters unterzogen werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Daten im Vorfeld der Transformation über mehrere Arbeitsspiele gemittelt werden.

7. Vorrichtung zur zylinderindividuellen Bestimmung von Zündaussetzern bei einer Kolbenkraftmaschine mittels einer Klassifikationseinheit, anhand von Meßdaten, welche Information über die Kurbelwellendrehzahl enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßdaten mittels eines auf der I<urbelwelle der Kolbenkraftmaschine befestigten Zahnkranzes, welcher an einen Bewegungssensor gekoppelt ist, generiert werden.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Bewegungssensor ein Hall-Sensor ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Klassifikationseinheit aus einer Einheit zur Datenvorverarbeitung und einem Klassifikator besteht.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit zur Datenvorverarbeitung ein Modul zur Hauptachsen-Transformation HAT der Meßdaten enthält.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit zur Datenvorverarbeitung ein Modul zur Durchführung einer Independent Component Analyse der Meßdaten enthält.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Klassifikator als Quadratischer Polynomklassifikator ausgeführt wird.