DE10015573A1 - Verfahren zur Detektion von Zündaussetzern anhand der Kurbelwellendrehzahl - Google Patents
Verfahren zur Detektion von Zündaussetzern anhand der KurbelwellendrehzahlInfo
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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 = BT(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)
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.
Priority Applications (3)
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Applications Claiming Priority (1)
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DE10015573A Withdrawn DE10015573A1 (de) | 2000-03-29 | 2000-03-29 | Verfahren zur Detektion von Zündaussetzern anhand der Kurbelwellendrehzahl |
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