DE102008057508B4 - Verfahren zur Erkennung von Verbrennungsaussetzern bei einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Erkennung von Verbrennungsaussetzern bei einer Brennkraftmaschine, umfassend die Schritte:- Bereitstellen einer Brennkraftmaschine (1) mit-- einer Kurbelwelle (7) und-- mit der Kurbelwelle (7) zusammenwirkenden Zylindern (3), wobei mindestens ein Zylinder (3) von einem Verbrennungsaussetzer betroffen ist,- Bestimmen eines digitalen Drehzahlsignals der Kurbelwelle (7),- Bestimmen eines Auswertefensters (16) für das Drehzahlsignal,- Transformieren des in dem Auswertefenster (16) befindlichen Drehzahlsignals in einen Winkel-Frequenz-Bereich, wobei das Drehzahlsignal in dem Winkel-Frequenz-Bereich durch mehrere Ordnungen (i) charakterisiert wird,- Berechnen eines Laufunruhemaßes (LUM) aus zumindest mehreren der Ordnungen (i) unterhalb einer Zündordnung (Zo), und Vergleichen des Laufunruhemaßes (LUM) mit einem Schwellwert (G), wobei bei Überschreiten des Schwellwertes (G) der Verbrennungsaussetzer erkannt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufunruhemaß (LUM) zumindest bis zu einer halben Zylinderanzahl mit einer zunehmenden Anzahl von Verbrennungsaussetzern innerhalb eines Arbeitsspiels (A) der Brennkraftmaschine zunimmt und mit einer abnehmenden Anzahl abnimmt.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung von Verbrennungsaussetzern bei einer Brennkraftmaschine.
• Aus der DE 102 35 665 A1 ist ein Verfahren zur Detektion von Verbrennungsaussetzern bzw. Zündaussetzern sowie zur Bestimmung der die Verbrennungsaussetzer verursachenden Zylinder bekannt. Bei diesem Verfahren wird ein in einem Auswertefenster befindliches Drehzahlsignal der Kurbelwelle ausgewertet. Das Auswertefenster wird mit einer Schrittweite relativ zu dem Drehzahlsignal verschoben, wobei die Schrittweite 720° Kurbelwellenumdrehung oder einem Vielfachen davon entspricht. Wird bei der Auswertung des Drehzahlsignals ein Zündaussetzer detektiert, so wird dieser einem Zylinder mittels Referenzphasen zugeordnet. Die Referenzphasen werden basierend auf einer Frequenzanalyse des Drehzahlsignals für jeden einzelnen Zylinder durch eine starke Verstellung der Einspritzmenge ermittelt und in einem Steuergerät abgelegt. Tritt im laufenden Betrieb der Brennkraftmaschine ein Zündaussetzer auf, so werden die aktuellen Phasen mit den Referenzphasen verglichen, wobei der von dem Zündaussetzer betroffene Zylinder identifiziert wird. Nachteilig ist, dass dieses Verfahren aufwändig ist und im ungünstigsten Fall ein gesamtes Arbeitsspiel von 720° Kurbelwellenumdrehung abgewartet werden muss, bis ein Zündaussetzer erkannt wird.
• In der DE 42 27 104 A1 ist ein Verfahren zum Aufspüren von Fehlzündungen einer Kolbenbrennkraftmaschine mit einer Vielzahl von wechselseitig wirkenden Komponenten wenigstens einen Zylinder und einer Kurbelwelle beschrieben, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: das Messen der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle, um die Darstellung eines elektrischen Signals von dieser zu erhalten, das Filtern des elektrischen Signals, um die Einflüsse von Zufallsfehlern und Störungen des elektrischen Signals zu minimieren und um ein gefiltertes Winkelgeschwindigkeitssignal zu erhalten, das Berechnen eines M-dimensionalen Drehmomentungleichförmigkeitsvektors, welcher von dem gefilterten Winkelgeschwindigkeitssignal abgeleitet ist, das Berechnen wenigstens eines Referenzwertes des Drehmoments, basierend auf dem Drehmomentungleichförmigkeitsvektor, das Schätzen des indizierten Drehmoments, welches von dem wenigstens einem Zylinder während eines gegebenen Motorzyklus erzeugt wird, basierend auf der Kurbelwellenwinkelgeschwindigkeit, und das Vergleichen des wenigstens einen Referenzwertes mit dem indizierten Drehmoment, um ein Fehlzündungssignal zu erhalten.
• Die DE 195 35 094 A1 zeigt ein Verfahren zur Erkennung von Verbrennungsaussetzern auf der Basis eines ersten Eingangsmerkmalssignals, in dem sich die Ungleichförmigkeit der Drehbewegung des Verbrennungsmotors innerhalb der ersten Ordnung abbildet, dessen Betrag mit einem ersten Schwellwert und einem zweiten, größeren Schwellwert verglichen wird, sowie auf der Basis weiterer Eingangsmerkmalsignale, in denen sich die Ungleichförmigkeit der Drehbewegung des Verbrennungsmotors innerhalb weiterer Ordnungen abbildet, deren Anzahl von der Zylinderzahl des Verbrennungsmotors abhängt und deren Beträge mit je einem jeder Ordnung zugeordneten Schwellenwert verglichen werden. Bei Überschreitung des ersten Schwellwertes durch den Betrag des ersten Eingangsmerkmalssignals wird vorläufig ein Daueraussetzer an einem Zylinder erkannt. Bei Überschreitung mindestens eines Schwellwertes durch den Betrag der zugeordneten weiteren Eingangsmerkmalssignale oder bei Überschreitung des zweiten Schwellwertes durch den Betrag des ersten Merkmalssignals wird ein Erkennungssignal für Daueraussetzer an mehreren Zylindern aktiv und bei aktiven Erkennungssignal für Daueraussetzer an mehreren Zylindern wird das Erkennungssignal für Daueraussetzer an einem Zylinder stets inaktiv geschaltet. Bei inaktiven Erkennungssignal für Daueraussetzer an mehreren Zylindern wird das vorläufige Erkennungssignal für Daueraussetzer an einem Zylinder nach außen geschaltet.
• In der US 6 021 758 A ist ein Verfahren zur Zylindergleichstellung eines Motors beschrieben, das folgende Schritte umfasst: a) Erfassen einer Drehzahl des Motors mehrere Male während einer Zeitperiode, b) Durchführen einer Folie-Transformation bei der erfassten Motordrehzahl durch mindestens eine Folie-Transformationskomponente erzeugte wird, die einer Motorordnung des Motors entspricht, c) Bestimmen einer Zylindergleichgewichtsbedingung aus einer Phase der Folie-Transformationskomponente und d) Anwenden einer vorbestimmten Einstellung auf einen Kraftstoffzuführbefehl des Motors, wobei die vorbestimmte Einstellung basierend auf der im Schritt c) durchgeführten Bestimmung ausgewählt wird. Der Schritt a) umfasst dabei ein mehrmaliges Erfassen der Motordrehzahl während 27 Grad einer Drehung einer Kurbelwelle des Motors.
• Die US 7 292 933 B2 beschreibt ein Verfahren zum Detektieren einer Motorfehlfunktion wie etwa einer Fehlzündung. Das Verfahren umfasst das Bestimmen von Motordrehzahlwerten an jeder einer Vielzahl von Messwinkelpositionen, Überlagern der Motordrehzahlwerte mit im Winkelbereich indizierten Sinus- und Kosinusfunktionen, Übergeben der überlagerten Ergebnisse durch einen Tiefpass filtern und der resultierenden Größe aus den resultierenden zwei Sektoren berechnen. Eine Vorrichtung zum Erfassen einer Motorfehlfunktion, wie z. B. einer Fehlzündung, umfasst einen Motordrehzahlanalysator, einen Multiplexer und ein Tiefpassfilter.
• Zur Detektion von Zündaussetzern, also ob ein oder mehrere aussetzende Zylinder innerhalb eines Arbeitsspiels vorliegen oder nicht, wird das Drehzahlsignal der Kurbelwelle in einen Winkel-Frequenz-Bereich transformiert. Zur Detektion wird eine Kombination mehrerer Ordnungen des Drehzahlsignals herangezogen. Beispielsweise zeigt im Falle des Aussetzens eines einzelnen Zylinders das Überschreiten eines Schwellwertes für die Amplitude der 0,5-ten Ordnung einen vorliegenden einzelnen Verbrennungsaussetzer und im Falle des Aussetzens zweier komplementärer Zylinder das Überschreiten eines im Allgemeinen anderen Schwellwertes für die Amplitude 1,0-ter Ordnung das Vorliegen von zwei komplementären Verbrennungsaussetzern an. Um eine beliebige Anzahl von Verbrennungsaussetzern in einem Arbeitsspiel erkennen zu können, müssen die einzelnen Ordnungen separat auf die Überschreitung einstellbarer Amplituden-Schwellwerte überwacht werden. Eine Verwendung und Überwachung nur einer einzigen Ordnung ist nicht ausreichend. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass eine Vielzahl von Ordnungen des Drehzahlsignals überwacht werden muss, um eine beliebige Anzahl von Verbrennungsaussetzern in einem Arbeitsspiel erkennen zu können. Dies ist insbesondere deswegen nachteilig, da die einzelnen Ordnungen mehr oder weniger stark drehzahlabhängig sind und daher die zur Überwachung vorgesehenen Schwellwerte sowohl ordnungsindividuell als auch drehzahlindividuell zu wählen sind. Das bekannte Verfahren zur Detektion von Zündaussetzern ist somit äußerst aufwändig.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur einfachen und sicheren Erkennung einer beliebigen Anzahl von Verbrennungsaussetzern innerhalb eines Arbeitsspieles einer Brennkraftmaschine zu schaffen.
• Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass zur einfachen und sicheren Erkennung, ob mindestens ein Verbrennungsaussetzer bzw. Zündaussetzer innerhalb eines Arbeitsspiels vorliegt oder nicht, nur die Überwachung eines einzigen Laufunruhemaßes erforderlich ist, das aus zumindest mehreren der Ordnungen des in den Winkel-Frequenz-Bereich transformierten Drehzahlsignals unterhalb einer Zündordnung der Brennkraftmaschine berechnet wird. Die Zündordnung ergibt sich aus der halben Zylinderanzahl der Brennkraftmaschine.
• Der Berechnung des Laufunruhemaßes liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Ordnungen unterhalb der Zündordnung im Wesentlichen Unregelmäßigkeiten in der Verbrennung, welche insbesondere durch Verbrennungsaussetzer verursacht werden, widerspiegeln. Zur Berechnung des Laufunruhemaßes können alle Ordnungen oder mehrere ausgewählte Ordnungen unterhalb der Zündordnung verwendet werden. Die Ordnungen unterhalb der Zündordnung sind beispielsweise bei einer Vier-Zylinder-Brennkraftmaschine die 0,5-te, die 1,0-te und die 1,5-te Ordnung. Entsprechend sind dies beispielsweise bei einer Sechs-Zylinder-Brennkraftmaschine die 0,5-te, die 1,0-te, die 1,5-te, die 2,0-te und die 2,5-te Ordnung. Das Laufunruhemaß ist im Wesentlichen unabhängig von dem Betriebspunkt, insbesondere der Drehzahl der Brennkraftmaschine, sodass weder eine ordnungsindividuelle noch eine drehzahlindividuelle Überwachung von Schwellwerten erforderlich ist. Zum Erkennen, ob mindestens ein Verbrennungsaussetzer innerhalb eines Arbeitsspiels vorliegt oder nicht, ist somit nur die Überwachung eines einzigen Schwellwertes notwendig. Das Verfahren ist somit einfach und sicher.
• Die Bestimmung der aussetzenden Zylinder kann nach dem Erkennen des Verbrennungsaussetzers bzw. der Verbrennungsaussetzer beispielsweise derart erfolgen, dass der Startpunkt des Auswertefensters relativ zu dem Drehzahlsignal schrittweise in dem Arbeitsspiel verschoben wird, wobei das in dem Auswertefenster befindliche Drehzahlsignal nach jeder Verschiebung in den Winkel-Frequenz-Bereich transformiert wird. Kommt der von dem Verbrennungsaussetzer betroffene Abschnitt des Drehzahlsignals erstmalig in dem Auswertefenster zu liegen, so wird mittels des transformierten Drehzahlsignals in der beschriebenen Weise der Verbrennungsaussetzer detektiert, ohne dass ein gesamtes Arbeitsspiel abgewartet werden muss. Der von dem Verbrennungsaussetzer betroffene Zylinder kann durch die Lage des Auswertefensters relativ zu dem Drehzahlsignal identifiziert werden. Dieses Verfahren funktioniert auch dann, wenn mehrere oder alle Zylinder von einem Verbrennungsaussetzer betroffen sind. Eine aufwändige Ermittlung und Auswertung von Referenzphasen zur Identifizierung der von den Verbrennungsaussetzern betroffenen Zylinder ist somit nicht erforderlich.
• Die Anwendung des Laufunruhemaßes kann sowohl auf ein ganzes Arbeitsspiel, insbesondere resultierend aus einer beliebigen Anzahl von gemittelten Arbeitsspielen, als auch auf ein ganzes mitlaufendes Arbeitsspiel, herrührend aus der oben beschriebenen mitlaufenden Aussetzererkennung, erfolgen.
• Das Laufunruhemaß nimmt zumindest bis zu einer halben Zylinderanzahl mit einer zunehmenden Anzahl von Verbrennungsaussetzern innerhalb eines Arbeitsspiels der Brennkraftmaschine zu und mit einer abnehmenden Anzahl ab.
• Ein solches Laufunruhemaß ermöglicht in einfacher Weise das Bestimmen der Anzahl von Verbrennungsaussetzern innerhalb eines Arbeitsspiels zumindest bis zur halben Zylinderanzahl. Zumindest bis zur halben Zylinderanzahl resultiert eine zunehmende Anzahl von Verbrennungsaussetzern in einem anwachsenden Laufunruhemaß und umgekehrt.
• Ein Verfahren nach Anspruch 2 ermöglicht ein zuverlässiges Bestimmen der Anzahl von Verbrennungsaussetzern, indem das Laufunruhemaß mit mehreren Schwellwerten, die jeweils einer Anzahl entsprechen, verglichen wird. Vorzugsweise wird das Laufunruhemaß ausgehend von einem ersten Schwellwert, der mindestens einem Verbrennungsaussetzer entspricht, nacheinander mit weiteren Schwellwerten verglichen, die den weiteren Anzahlen von Verbrennungsaussetzern entsprechen.
• Ein Verfahren nach Anspruch 3 ist äußerst einfach und zuverlässig. Dadurch, dass das Laufunruhemaß im Wesentlichen drehzahlunabhängig ist, ist für das Erkennen, ob mindestens ein Verbrennungsaussetzer vorliegt oder nicht, nur ein Vergleich mit einem einzigen Schwellwert erforderlich.
• Eine Weiterbildung nach Anspruch 4 ermöglicht eine einfache Berechnung des Laufunruhemaßes. Aus den Ordnungen unterhalb der Zündanordnung wird ein Summensignal aus Kosinus- und/oder Sinus-Funktionen im Winkelbereich oder Zeitbereich erzeugt. Durch Extraktion der Amplitude des Summensignals ergibt sich das Laufunruhemaß. Das Laufunruhemaß ist somit ein Amplituden-Kennwert. Im Idealfall, das bedeutet im aussetzerfreien Fall, ist dieser Amplituden-Kennwert gleich Null. Das Summensignal aus den einzelnen Ordnungen hat die Eigenschaft, dass die Drehzahlabhängigkeit aufgrund der Überlagerung der teilweise gegenläufigen Drehzahlabhängigkeiten der einzelnen Ordnungen im Wesentlichen kompensiert wird, sodass das Laufunruhemaß nur eine geringe oder im Wesentlichen keine Drehzahlabhängigkeit aufweist.
• Eine Berechnung des Laufunruhemaßes nach Anspruch 5 hat sich in der Praxis bewährt.
• Eine Weiterbildung nach Anspruch 6 ermöglicht eine einfache Berechnung des Laufunruhemaßes. Das Laufunruhemaß spiegelt die Leistung der Brennkraftmaschine wider.
• Eine Berechnung des Laufunruhemaßes nach Anspruch 7 hat sich in der Praxis bewährt.
• Eine Weiterbildung nach Anspruch 8 ermöglicht eine äußerst einfache Berechnung des Laufunruhemaßes.
• Eine Berechnung des Laufunruhemaßes nach Anspruch 9 hat sich in der Praxis bewährt.
• Ein Verfahren nach Anspruch 10 ermöglicht eine schnelle und einfache Detektion des von dem Verbrennungsaussetzer betroffenen Zylinders. Kommt der von dem Verbrennungsaussetzer betroffene Abschnitt des Drehzahlsignals erstmalig in dem Auswertefenster zu liegen, so kann mittels des transformierten Drehzahlsignals der Verbrennungsaussetzer erkannt und der von dem Verbrennungsaussetzer betroffene Zylinder detektiert, das heißt identifiziert werden, ohne dass ein gesamtes Arbeitsspiel abgewartet werden muss. Vorzugsweise erfolgt das schrittweise Verschieben mit einer Schrittweite, die gleich einem Verhältnis von 720° Kurbelwellenumdrehung zu einer Zylinderanzahl der Brennkraftmaschine ist, oder mit einer Schrittweite, die einem Markenabstand eines Geberrades zur Drehzahlmessung entspricht.
• Eine Weiterbildung nach Anspruch 11 ermöglicht eine einfache Identifikation des von dem Verbrennungsaussetzer betroffenen Zylinders durch die Lage des Auswertefensters, wenn ein Verbrennungsaussetzer erkannt wird.
• Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung. Es zeigen:
• 1 eine Prinzipdarstellung einer Brennkraftmaschine,
• 2 ein Drehzahlsignal der Brennkraftmaschine mit einem Auswertefenster in einer Ausgangsposition,
• 3 das Drehzahlsignal in 2 mit dem Auswertefenster in einer ersten verschobenen Position,
• 4 das Drehzahlsignal in 2 mit dem Auswertefenster in einer zweiten verschobenen Position, und
• 5 ein Diagramm mit einem Laufunruhemaß basierend auf einer Frequenzanalyse des Drehzahlsignals in 4.
• Eine Brennkraftmaschine 1 weist einen Motorblock 2 mit mehreren Zylinders 3 und einem Einspritzsystem 4 auf. Das Einspritzsystem 4 umfasst für jeden Zylinder 3 eine Einspritzeinheit 5 zum Einspritzen von Kraftstoff 6. Wie in 1 gezeigt ist, weist die Brennkraftmaschine 1 vier Zylinder 3 auf, so dass eine Zylinderanzahl Z = 4 beträgt. Die Brennkraftmaschine 1 kann sowohl eine selbstzündende als auch eine nicht selbstzündende Brennkraftmaschine 1 sein.
• Innerhalb des Motorblocks 2 ist eine Kurbelwelle 7 angeordnet und aus diesem herausgeführt. Zur Umwandlung der in den Zylindern 3 freigesetzten Energie des Kraftstoffs 6 in eine Rotationsbewegung ist die Kurbelwelle 7 mit nicht näher dargestellten Zylinderkolben verbunden.
• An einem aus dem Motorblock 2 herausgeführten Ende der Kurbelwelle 7 ist zur Messung einer Drehzahl N der Kurbelwelle 7 ein Geberrad 8 angeordnet. Das Geberrad 8 weist zur Ermittlung eines der Drehzahl N entsprechenden Drehzahlsignals der Kurbelwelle 7 äquidistante Winkelmarkierungen 9 auf. Die Winkelmarkierungen 9 weisen einen Markenabstand ΔM auf, der beispielsweise 10° Kurbelwellenumdrehung entspricht.
• Das Geberrad 8 und die Einspritzeinheit 5 stehen in Signalverbindung mit einem Steuergerät 10 zur Steuerung der Brennkraftmaschine 1. Das Steuergerät 10 umfasst eine Signalabtastungseinheit 11, eine Signalvorverarbeitungseinheit 12, eine Transformationseinheit 13, eine Ereigniserkennungseinheit 14 und eine Zylinderidentifikationseinheit 15.
• Nachfolgend wird die Detektion eines Verbrennungsaussetzers und die Identifikation des von dem Verbrennungsaussetzer betroffenen Zylinders 3 beschrieben.
• Die Brennkraftmaschine 1 weist eine Zündreihenfolge der Zylinder 3 von 1-3-4-2 auf. Der dritte Zylinder 3 soll von einem Verbrennungsaussetzer betroffen sein. Ein Verbrennungsaussetzer stellt ein zylinderindividuelles Ereignis dar. Der Verbrennungsaussetzer wirkt sich in der Drehzahl N der Kurbelwelle 7 und somit in dem mittels des Geberrades 8 ermittelten Drehzahlsignals aus. Die 2 bis 4 zeigen das ermittelte Drehzahlsignal, wobei die den einzelnen Zylindern 3 zugehörigen Abschnitte des Drehzahlsignals mit N₁ , N₂ , N₃ und N₄ gekennzeichnet sind. Das Drehzahlsignal ist aufgrund der diskreten Arbeitsweise der Brennkraftmaschine 1 hügelförmig ausgebildet, wobei jeder hügelförmige Abschnitt N₁ , N₂ , N₃ und N₄ dem jeweiligen Zylinder 3 zugehört. Der Beginn jedes Abschnitts kennzeichnet einen oberen Totpunkt OT des jeweiligen Zylinders 3. Die einzelnen oberen Totpunkte OT sind in den 2 bis 4 mit OT₁ , OT₂ , OT₃ und OT₄ gekennzeichnet. Die Abschnitte N₁ , N₂ , N₃ und N₄ des Drehzahlsignals ergeben ein Arbeitsspiel A der Brennkraftmaschine 1, wobei ein Arbeitsspiel A 720° Kurbelwellenumdrehung entspricht. Der Verbrennungsaussetzer des dritten Zylinders 3 wirkt sich in dem Abschnitt N₃ des Drehzahlsignals aus, der eine geringere Höhe als die nicht von dem Verbrennungsaussetzer betroffenen Abschnitte N₁ , N₂ und N₄ des Drehzahlsignals aufweist.
• Im Betrieb der Brennkraftmaschine 1 werden ständig die Zeiten zwischen den Winkelmarkierungen 9 des Geberrades 8 detektiert und mittels der Signalabtastungseinheit 11 in ein digitales Drehzahlsignal der Kurbelwelle 7 umgerechnet. Das digitale Drehzahlsignal wird anschließend der Signalvorverarbeitungseinheit 12 zugeführt, in der mittels gespeicherter Korrekturwerte mechanische Fertigungstoleranzen des Geberrades 8 korrigiert werden. Mechanische Fertigungstoleranzen sind beispielsweise nicht äquidistante Abstände der Winkelmarkierungen 9. Weiterhin kann in der Signalvorverarbeitungseinheit 12 eine Schleppkorrektur durchgeführt werden.
• Zur weiteren Auswertung des Drehzahlsignals wird ein Auswertefenster 16 für das Drehzahlsignal festgelegt. Das Auswertefenster 16 weist einen Startpunkt S und einen Endpunkt E auf, wobei der Startpunkt S und der Endpunkt E eine Länge L des Auswertefensters 16 definieren. Der Startpunkt S wird zu Beginn der Auswertung des Drehzahlsignals derart festgelegt, dass dieser mit dem oberen Totpunkt OT₁ des ersten Zylinders 3 übereinstimmt. Alternativ kann der Startpunkt S derart festgelegt werden, dass dieser mit einem der oberen Totpunkte OT₁ , OT₃ oder OT₄ übereinstimmt. Die Brennkraftmaschine 1 verfügt hierzu über eine Zündpunkterkennung, die mittels einer speziellen Winkelmarkierung 9, die den oberen Totpunkt OT₁ des ersten Zylinders 3 kennzeichnet, realisiert ist. Weiterhin wird zu Beginn der Auswertung die Länge L des Auswertefensters 16 festgelegt. Wie in den 2 bis 4 gezeigt ist, entspricht die Länge L einem Arbeitsspiel A, also 720° Kurbelwellenumdrehung. Alternativ kann die Länge L des Auswertefensters 16 ein ganzzahliges Vielfaches von 720° Kurbelwellenumdrehung oder ein Bruchteil von 720° Kurbelwellenumdrehung sein.
• Vorteilhafter Weise wird der Startpunkt S des Auswertefensters 16 derart gewählt, dass die Identifikationsgenauigkeit am größten ist. Hierzu ist es erforderlich, den Startpunkt S des Auswertefensters 16 in Abhängigkeit von der Last und der Drehzahl N der Brennkraftmaschine 1 festzulegen. Somit kann der Startpunkt S auch um einige Grad Kurbelwellenumdrehung vor oder nach einem der oberen Totpunkte OT liegen.
• Ausgehend von dem oberen Totpunkt OT₁ wird der Startpunkt S bei konstanter Länge L des Auswertefensters 16 relativ zu dem Drehzahlsignal schrittweise in dem Arbeitsspiel A verschoben. Der Startpunkt S wird mit einer Schrittweite ΔW verschoben, die einem Verhältnis von 720° Kurbelwellenumdrehung zu der Zylinderanzahl Z entspricht. Bei einer Zylinderanzahl von Z = 4 beträgt die Schrittweite ΔW 180° Kurbelwellenumdrehung. Alternativ kann auch eine kleinere Schrittweite ΔW gewählt werden, die beispielsweise dem Markenabstand ΔM des Geberrades 8 entspricht, beispielsweise 10° Kurbelwellenumdrehung.
• 2 zeigt eine Ausgangsposition des Auswertefensters 16, bei der die Lage des Startpunktes S mit dem oberen Totpunkt OT₁ übereinstimmt. Der dritte Zylinder 3 ist in dem in dem Auswertefenster 16 befindlichen Arbeitsspiel A noch nicht von dem Verbrennungsaussetzer betroffen.
• Das innerhalb des Auswertefensters 16 befindliche Drehzahlsignal wird mittels der Transformationseinheit 13 in einen Winkel-Frequenz-Bereich transformiert. Die Transformation in den Winkel-Frequenz-Bereich findet beispielsweise mittels einer diskreten Hartley-Transformation oder einer diskreten Fourier-Transformation statt. Das Drehzahlsignal wird in dem Winkel-Frequenz-Bereich durch mehrere Ordnungen i, also durch ein Amplitudenspektrum und ein Phasenspektrum, charakterisiert. Zur Erkennung von Verbrennungsaussetzern wird in der Ereigniserkennungseinheit 14 ein Laufunruhemaß LUM berechnet und überwacht. Das Laufunruhemaß LUM wird ausschließlich aus Ordnungen i unterhalb einer Zündordnung Zo der Brennkraftmaschine 1 berechnet, wobei alle oder nur ein Teil dieser Ordnungen zur Berechnung herangezogen werden können. Die Zündordnung Zo ergibt sich aus der halben Zylinderanzahl Z.
• Das Laufunruhemaß LUM wird gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung durch eine phasenrichtige Superposition von zumindest mehreren der Ordnungen i unterhalb der Zündordnung Zo berechnet, sodass im Zeitbereich oder im Winkelbereich ein Summensignal erzeugt wird, aus welchem sich durch eine Amplitudenextraktion, also durch eine Bestimmung des Maximums, das Laufunruhemaß LUM als ein Amplituden-Kennwert ergibt. Das Laufunruhemaß LUM wird im Einzelnen wie folgt berechnet: $$\text{LUM=max}\left({\displaystyle \sum _{\text{i}=\mathrm{0,5};\mathrm{1,0};\dots }^{{\text{Z}}_{\text{O}}-\mathrm{0,5}}{\text{A}}_{\text{i}}\cdot \text{cos}\left({\Omega }_i\cdot \phi +{\phi }_{\text{i}}\right)}\right)$$

  

  oder $$\text{LUM=max}\left({\displaystyle \sum _{\text{i}=\mathrm{0,5};\mathrm{1,0};\dots }^{{\text{Z}}_{\text{O}}-\mathrm{0,5}}{\text{A}}_{\text{i}}\cdot \text{sin}\left({\Omega }_i\cdot \phi +{\phi }_{\text{i}}\right)}\right),\text{ wobei}$$

  

LUM

das Laufunruhemaß,

A_i

die Amplitude der Ordnung i,

φ_i

die Phase der Ordnung i,

i

ein Laufindex für die Ordnung,

Z_O

die Zündordnung,

Ω_i

die Frequenz der Ordnung i, und

φ

der Drehwinkel der Kurbelwelle (7) ist.

• Dadurch, dass das Laufunruhemaß LUM durch eine Summenbildung aus den einzelnen Ordnungen i berechnet wird, ist dieses im Wesentlichen drehzahlunabhängig, da aufgrund der Überlagerung der teilweise gegenläufigen Drehzahlabhängigkeiten der einzelnen Ordnungen i die Drehzahlabhängigkeit im Summensignal im Wesentlichen kompensiert ist. Das Laufunruhemaß LUM ist derart drehzahlunabhängig, dass zur Erkennung, ob mindestens ein Verbrennungsaussetzer vorliegt oder nicht, nur ein Schwellwert G₁ mit dem Laufunruhemaß LUM zu vergleichen ist.
• Zur Erkennung von Verbrennungsaussetzern wird in der Ereigniserkennungseinheit 14 das berechnete Laufunruhemaß LUM ständig überwacht und mit dem Schwellwert G₁ verglichen. Überschreitet das Laufunruhemaß LUM den Schwellwert G₁ , so liegt mindestens ein Verbrennungsaussetzer innerhalb des Auswertefensters 16 vor. Im aussetzerfreien Fall ist das Laufunruhemaß LUM kleiner als der Schwellwert G₁ und idealerweise gleich Null.
• Die Größe des Laufunruhemaßes LUM ist mit der Anzahl der innerhalb des Auswertefensters 16 vorliegenden Verbrennungsaussetzer korreliert. Das Laufunruhemaß LUM nimmt bis zu der halben Zylinderanzahl Z mit einer zunehmenden Anzahl von Verbrennungsaussetzern zu und mit einer abnehmenden Anzahl ab. Eine große Anzahl von Verbrennungsaussetzern bedeutet somit ein hohes Laufunruhemaß LUM und umgekehrt. Durch diese Abhängigkeit des Laufunruhemaßes LUM ist einfach feststellbar, wie viele Verbrennungsaussetzer innerhalb des Auswertefensters 16 vorliegen. Zu diesem Zweck wird das Laufunruhemaß LUM, sofern der erste Schwellwert G₁ überschritten wurde, mit einem weiteren Schwellwert G₂ verglichen. Auf diese Weise kann die exakte Anzahl von Verbrennungsaussetzern innerhalb des Auswertefensters 16 ermittelt werden. Wird beispielsweise der zweite Schwellwert G₂ überschritten, so liegen zwei Verbrennungsaussetzer innerhalb des Arbeitsspiels A vor. Dieses Verfahren zur Ermittlung der Anzahl von Verbrennungsaussetzern ist prinzipiell in 5 veranschaulicht.
• Wie aus 2 ersichtlich ist, befindet sich der von dem Verbrennungsaussetzer betroffene Abschnitt N₃ des Drehzahlsignals nicht in dem Auswertefenster 16, sodass das Laufunruhemaß LUM unterhalb des Schwellwertes G₁ liegt. Die Ereigniserkennungseinheit 14 zeigt somit an, dass kein Verbrennungsaussetzer vorliegt.
• 3 zeigt das Auswertefenster 16 in einer ersten verschobenen Position, in der der Startpunkt S um die Schrittweite ΔW zu dem oberen Totpunkt OT₃ des dritten Zylinders 3 verschoben ist. Der von dem Verbrennungsaussetzer betroffene Abschnitt N₃ des Drehzahlsignals liegt noch nicht innerhalb des Auswertefensters 16, so dass die Ereigniserkennungseinheit 14 - wie bereits zu 2 beschrieben - anzeigt, dass kein Verbrennungsaussetzer vorliegt.
• 4 zeigt eine zweite verschobene Position des Auswertefensters 16, in der der Startpunkt S wiederum um die Schrittweite ΔW zu dem oberen Totpunkt OT₄ des vierten Zylinders 3 verschoben ist. Der von dem Verbrennungsaussetzer betroffene Abschnitt N₃ des Drehzahlsignals liegt erstmalig innerhalb des Auswertefensters 16. Das in dem Auswertefenster 16 befindliche Drehzahlsignal wird - wie bereits zu 2 beschrieben - mittels der Transformationseinheit 13 in den Winkel-Frequenz-Bereich transformiert.
• Aufgrund des Verbrennungsaussetzers tritt ein Anstieg des Laufunruhemaßes LUM auf, sodass dieses oberhalb des ersten Schwellwertes G₁ und unterhalb des zweiten Schwellwertes G₂ liegt. Dies ist in 5 gezeigt. Die Ereigniserkennungseinheit 14 detektiert somit erstmalig das Auftreten des Verbrennungsaussetzers, wobei sich aus dem Vergleich mit den Schwellwerten G₁ und G₂ ergibt, dass es ein einziger Verbrennungsaussetzer innerhalb des Arbeitsspieles A ist.
• Bei einer Detektion eines Verbrennungsaussetzers wird von der Ereigniserkennungseinheit 14 ein Signal an die Zylinderidentifikationseinheit 15 übermittelt. Die Zylinderidentifikationseinheit 15 identifiziert den Zylinder 3, der von dem Verbrennungsaussetzer betroffen ist. Hierzu wird die Lage des Auswertefensters 16 relativ zu dem Drehzahlsignal ausgewertet. Bei der Detektion des Verbrennungsaussetzers liegt der Endpunkt E in dem Abschnitt N₃ des Drehzahlsignals, der dem dritten Zylinder 3 zugeordnet ist. Der Startpunkt S fällt mit dem oberen Totpunkt OT₄ zusammen. Aus der Zündreihenfolge der Zylinder 3, der Schrittweite ΔW und der Länge L sowie der Ausgangsposition des Auswertefensters 16 kann somit der von dem Verbrennungsaussetzer betroffene dritte Zylinder 3 bestimmt werden.
• Bei der Berechnung des Laufunruhemaßes LUM gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die Amplituden A_i von zumindest mehreren der Ordnungen i unterhalb der Zündordnung Zo quadriert und summiert. Vorzugsweise wird das Laufunruhemaß LUM wie folgt berechnet: $$\text{LUM=}\sqrt{\left({{\displaystyle \sum _{\text{i}=\mathrm{0,5};\mathrm{1,0};\dots }^{{\text{Z}}_{\text{O}}-\mathrm{0,5}}{\text{A}}_{\text{i}}}}^2\right),\text{ wobei}}$$

  

LUM

das Laufunruhemaß,

A_i

die Amplitude der Ordnung i,

i

ein Laufindex für die Ordnung, und

Z_O

die Zündordnung ist.

• Durch Bildung der Quadratwurzel erhält man ein Laufunruhemaß LUM, dass eine Leistung der Brennkraftmaschine, insbesondere die im oben beschriebenen Summensignal enthaltene Leistung, widerspiegelt. Das Erkennen, ob mindestens ein Verbrennungsaussetzer vorliegt oder nicht, sowie das Bestimmen der Anzahl von Verbrennungsaussetzern innerhalb des Arbeitsspiels A erfolgt in der bereits beschriebenen Weise.
• Bei der Berechnung des Laufunruhemaßes LUM gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die Amplituden A_i von zumindest mehreren der Ordnungen i unterhalb der Zündordnung Z_O summiert. Vorzugsweise wird das Laufunruhemaß LUM wie folgt berechnet: $$\text{LUM=}{\displaystyle \sum _{\text{i}=\mathrm{0,5};\mathrm{1,0};\dots }^{{\text{Z}}_{\text{O}}-\mathrm{0,5}}{\text{A}}_{\text{i}}},\text{ wobei}$$

  

LUM

das Laufunruhemaß,

A_i

die Amplitude der Ordnung i,

i

ein Laufindex für die Ordnung, und

Z_O

die Zündordnung ist.

• Das Erkennen, ob mindestens ein Verbrennungsaussetzer vorliegt oder nicht, und das Bestimmen der Anzahl von Verbrennungsaussetzern erfolgt in der bereits beschriebenen Weise.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit eine einfache und sichere Erkennung des Vorliegens von einzelnen bzw. mehreren Verbrennungsaussetzern innerhalb eines Arbeitsspiels A. Hierzu muss ausschließlich das Laufunruhemaß LUM überwacht werden. Für das Erkennen, ob mindestens ein Verbrennungsaussetzer vorliegt oder nicht, ist nur die Überwachung eines einzigen Schwellwertes G₁ notwendig. Dementsprechend muss im Steuergerät 10 nur dieser Schwellwert G₁ appliziert werden, sodass eine einfache und sichere Applikation im gesamten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine möglich ist. Durch einen Vergleich des Laufunruhemaßes LUM mit weiteren Schwellwerten G₂ ,... kann zusätzlich auf die Anzahl der Verbrennungsaussetzer geschlossen werden.
• Die Anwendung der erwähnten Laufunruhemaße LUM kann sowohl auf ein ganzes Arbeitsspiel A, insbesondere resultierend aus einer beliebigen Anzahl von gemittelten Arbeitsspielen A, als auch auf ein ganzes mitlaufendes Arbeitsspiel A, wie oben als sogenannte mitlaufende Aussetzererkennung beschrieben wurde, erfolgen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist in der Lage sowohl dauerhafte als auch sporadisch auftretende Verbrennungsaussetzer zu detektieren. Aufgrund der mitlaufenden Aussetzererkennung mit der beschriebenen Verschiebung des Auswertefensters 16 ist weder eine Ermittlung von Referenzphasen noch eine Aktualisierung von Referenzphasen erforderlich. Aufgrund der beschriebenen Verschiebung des Auswertefensters 16 kann ein Verbrennungsaussetzer schnell detektiert werden, wenn der von dem Verbrennungsaussetzer betroffene Abschnitt des Drehzahlsignals erstmalig in dem Auswertefenster 16 zu liegen kommt. Ein Abwarten von einem gesamten Arbeitsspiel A ist nicht erforderlich.

Claims (11)

1. Verfahren zur Erkennung von Verbrennungsaussetzern bei einer Brennkraftmaschine, umfassend die Schritte: - Bereitstellen einer Brennkraftmaschine (1) mit -- einer Kurbelwelle (7) und -- mit der Kurbelwelle (7) zusammenwirkenden Zylindern (3), wobei mindestens ein Zylinder (3) von einem Verbrennungsaussetzer betroffen ist, - Bestimmen eines digitalen Drehzahlsignals der Kurbelwelle (7), - Bestimmen eines Auswertefensters (16) für das Drehzahlsignal, - Transformieren des in dem Auswertefenster (16) befindlichen Drehzahlsignals in einen Winkel-Frequenz-Bereich, wobei das Drehzahlsignal in dem Winkel-Frequenz-Bereich durch mehrere Ordnungen (i) charakterisiert wird, - Berechnen eines Laufunruhemaßes (LUM) aus zumindest mehreren der Ordnungen (i) unterhalb einer Zündordnung (Zo), und Vergleichen des Laufunruhemaßes (LUM) mit einem Schwellwert (G), wobei bei Überschreiten des Schwellwertes (G) der Verbrennungsaussetzer erkannt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufunruhemaß (LUM) zumindest bis zu einer halben Zylinderanzahl mit einer zunehmenden Anzahl von Verbrennungsaussetzern innerhalb eines Arbeitsspiels (A) der Brennkraftmaschine zunimmt und mit einer abnehmenden Anzahl abnimmt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufunruhemaß (LUM) zur Ermittlung der Anzahl von Verbrennungsaussetzern innerhalb eines Arbeitsspiels (A) mit mehreren Schwellwerten (G) verglichen wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufunruhemaß (LUM) derart drehzahlunabhängig ist, dass zur Erkennung des Vorliegens eines Verbrennungsaussetzers nur ein Schwellwert (G₁) mit dem Laufunruhemaß (LUM) zu vergleichen ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufunruhemaß (LUM) derart berechnet wird, dass durch eine phasenrichtige Superposition von zumindest mehreren der Ordnungen (i) unterhalb der Zündordnung (Z_O) ein Summensignal erzeugt wird, aus dem sich durch Amplitudenextraktion das Laufunruhemaß (LUM) ergibt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufunruhemaß (LUM) wie folgt berechnet wird: $$\text{LUM=max}\left({\displaystyle \sum _{\text{i}=\mathrm{0,5};\mathrm{1,0};\dots }^{{\text{Z}}_{\text{O}}-\mathrm{0,5}}{\text{A}}_{\text{i}}\cdot \text{cos}\left({\Omega }_i\cdot \phi +{\phi }_{\text{i}}\right)}\right)$$

   

   oder $$\text{LUM=max}\left({\displaystyle \sum _{\text{i}=\mathrm{0,5};\mathrm{1,0};\dots }^{{\text{Z}}_{\text{O}}-\mathrm{0,5}}{\text{A}}_{\text{i}}\cdot \text{sin}\left({\Omega }_i\cdot \phi +{\phi }_{\text{i}}\right)}\right),\text{ wobei}$$

   

   LUM das Laufunruhemaß, A_i die Amplitude der Ordnung i, φ_i die Phase der Ordnung i, i ein Laufindex für die Ordnung, Z_O die Zündordnung, Ω die Frequenz der Ordnung i, und φ der Drehwinkel der Kurbelwelle (7) ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufunruhemaß (LUM) derart berechnet wird, dass von zumindest mehreren der Ordnungen (i) unterhalb der Zündordnung (Zo) die zugehörigen Amplituden (A_i) quadriert und summiert werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufunruhemaß (LUM) wie folgt berechnet wird: $$\text{LUM=}\sqrt{\left({{\displaystyle \sum _{\text{i}=\mathrm{0,5};\mathrm{1,0};\dots }^{{\text{Z}}_{\text{O}}-\mathrm{0,5}}{\text{A}}_{\text{i}}}}^2\right),\text{ wobei}}$$

   

   LUM das Laufunruhemaß, A_i die Amplitude der Ordnung i, i ein Laufindex für die Ordnung, und Z_O die Zündordnung ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufunruhemaß (LUM) derart berechnet wird, dass von zumindest mehreren der Ordnungen (i) unterhalb der Zündordnung (Z_O) die zugehörigen Amplituden (A_i) summiert werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufunruhemaß (LUM) wie folgt berechnet wird: $$\text{LUM=}{\displaystyle \sum _{\text{i}=\mathrm{0,5};\mathrm{1,0};\dots }^{{\text{Z}}_{\text{O}}-\mathrm{0,5}}{\text{A}}_{\text{i}}},\text{ wobei}$$

   

   LUM das Laufunruhemaß, A_i die Amplitude der Ordnung i, i ein Laufindex für die Ordnung, und Z_O die Zündordnung ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Startpunkt (S) des Auswertefensters (16) relativ zu dem Drehzahlsignal schrittweise in einem Arbeitsspiel (A) verschoben wird, wobei das in dem Auswertefenster (16) befindliche Drehzahlsignal nach jeder Verschiebung in den Winkel-Frequenz-Bereich transformiert wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine von dem Verbrennungsaussetzer betroffene Zylinder (3) durch eine Lage des Auswertefensters (16) relativ zu dem Drehzahlsignal bei Erkennen des Verbrennungsaussetzers identifiziert wird.

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