DE102013220413B4

DE102013220413B4 - Verfahren zur Diagnose von Verbrennungsaussetzern eines durch eine Welle mit einer elektrischen Maschine gekoppelten Verbrennungsmotors sowie Diagnoseeinrichtung

Info

Publication number: DE102013220413B4
Application number: DE102013220413.2A
Authority: DE
Inventors: Andreas Gallhuber; Sebastian Breitkopf
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2013-10-10
Filing date: 2013-10-10
Publication date: 2017-02-02
Anticipated expiration: 2033-10-11
Also published as: DE102013220413A1

Abstract

Verfahren zur Diagnose von Verbrennungsaussetzern eines durch eine Welle (4) mit einer elektrischen Maschine (3) gekoppelten Verbrennungsmotors (2), wobei eine Zeitreihe einer die Drehzahl des Verbrennungsmotors (2) beschreibenden Größe aufgenommen und Einflüsse von Torsionsschwingungen der Welle (4) aus dieser Zeitreihe gefiltert werden, indem eine mehrstufige Mittelwertbildung an der die Drehzahl des Verbrennungsmotors (2) beschreibenden Größe vorgenommen wird, wobei nach der Mittelwertbildung der Ausgangssignalverlauf in 30°-Segmentzeiten gesplittet wird, um eine Kurbelwellenbeschleunigung zu messen.

Description

Es wird ein Verfahren zur Diagnose eines durch eine Welle mit einer elektrischen Maschine gekoppelten Verbrennungsmotors beschrieben, das insbesondere zur Erkennung von Verbrennungsaussetzern verwendet werden kann. Ferner wird eine entsprechende Diagnoseeinrichtung beschrieben.
In modernen Kraftfahrzeugen werden zunehmend elektrische Maschinen als Elektromotoren bzw. Generatoren verbaut. Dabei gibt es Konzepte, die mit einer starren Wellenverbindung zwischen elektrischer Maschine und Verbrennungsmotor ausgelegt sind. Diese Wellenverbindung weist Torsionseigenfrequenzen auf, die im Betrieb beispielsweise durch Motorschwingungen des Verbrennungsmotors angeregt werden können.
Aus der EP 0 750 184 A2 ist es bekannt, den Verlauf der Kurbelwellen-Winkelgeschwindigkeit zur Erkennung von Zündaussetzern eines Verbrennungsmotors zu verwenden. Die EP 0 750 184 A2 beschreibt darüber hinaus die Möglichkeit, das Signal der Schwungradwinkelgeschwindigkeit tiefpasszufiltern, um höherfrequente Torsionsschwingungen auszugleichen.
Die Druckschrift DE 198 15 143 A1 beschreibt auf eine erste Mittelwertbildung, wobei die so gebildeten ersten Mittelwerte über sechs Umdrehungen zu einem zweiten Mittelwert im Sinne eines mehrstufigen Verfahrens nochmals gemittelt werden. Es ergibt sich eine träge und aufgrund der Mittelung zeitlich ggf. unpräzise Auswertung.
In der DE 10 2008 002 007 A1 wird beschrieben, zur Fehlzündungserkennung zwei Mittelwerte parallel nebeneinander zu bilden.
Aufgabe von Aspekten der Erfindung ist es, die Diagnose eines Verbunds aus elektrischer Maschine und mit dieser gekoppeltem Verbrennungsmotor insbesondere im Hinblick auf die sichere und weniger träge Erkennung von Zündaussetzern zu verbessern.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Diagnose eines durch eine Welle mit einer elektrischen Maschine gekoppelten Verbrennungsmotors bereitgestellt, wobei eine Zeitreihe einer die Drehzahl des Verbrennungsmotors beschreibenden Größe aufgenommen und Einflüsse von Torsionsschwingungen der Welle aus dieser Zeitreihe gefiltert werden, indem eine mehrstufige Mittelwertbildung an der die Drehzahl des Verbrennungsmotors beschreibenden Größe vorgenommen wird. Nach der Mittelwertbildung der Ausgangssignalverlauf in 30°-Segmentzeiten gesplittet, um eine Kurbelwellenbeschleunigung zu messen.
Das Verfahren weist den Vorteil auf, dass es eine Filterung der Torsionsschwingungen aus dem zur Diagnose von Verbrennungsaussetzern verwendeten Signal erlaubt. Torsionsschwingungen treten insbesondere bei starren Wellenverbindungen zwischen elektrischer Maschine und Verbrennungsmotor auf. Ihre Eigenfrequenzen sind durch die Konstruktionsgeometrie der Welle bestimmt, die wiederum durch die gegebenen Rahmenbedingungen wie beispielsweise akustische Optimierung oder Einbauraum festgelegt ist. Treffen die Motoreigenschwingungen oder Vielfache davon die Resonanzfrequenz der Wellenverbindung, sind Schwingungen mit hoher Amplitude und dieser Frequenz an der Kurbelwelle zu beobachten.
Gängige Diagnoseverfahren für die Verbrennungsaussetzererkennung nutzen die Geschwindigkeit bzw. die Beschleunigung der Kurbelwelle auf Basis der Durchgangszeiten von örtlich fest definierten Segmenten des Kurbelwellengeberrads, d. h. von Summen von Einzelzahnzeiten des Kurbelwellengeberrads, zur Bestimmung der Güte der Verbrennung. Dieses Signal wird im Folgenden auch als Signal des Kurbelwellengeberrads bezeichnet. Es wird mittels eines gängigen Sensors, beispielsweise eines Induktivsensors, erfasst.
Tritt der Fall ein, dass die angeregten Eigenfrequenzen der Wellenverbindung bei bestimmten Drehzahlen das Signal des Motordrehzahlverlaufs überlagern, enthält das Signal des Kurbelwellengeberrads neben den Informationen zur Motordrehzahl auch die Einflüsse der Torsionsschwingungen. Das hat zur Folge, dass eine Diagnose von Verbrennungsaussetzern nicht mehr mit der erforderlichen Genauigkeit durchgeführt werden kann.
Mit dem beschriebenen Verfahren wird eine Glättung des Signals des Kurbelwellengeberrads erzielt. Dabei hat sich herausgestellt, dass eine Glättung durch eine gleitende Mittelwertbildung (moving average) in mehreren Stufen laufzeitoptimal ausgelegt werden und zu einer Eckfrequenz führen kann, die in allen Betriebszuständen, d. h. im gesamten Drehzahlbereich, die Eigenfrequenzen der Wellenverbindung sicher filtert und das durch die Torsionsschwingungen unbeeinflusste Signal des Kurbelwellengeberrads sichtbar macht. Dabei hat das Verfahren beispielsweise gegenüber konventionellen Tiefpassfiltern den Vorteil, dass es eine verhältnismäßig niedrige Rechenleistung erfordert. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist, dass das derart gefilterte Signal im Gegensatz zu einem tiefpassgefilterten Signal keinen Phasenversatz nach der Phasenkorrektur aufweist.
Das Verfahren ermöglicht es, aufwendige mechanische Neuauslegungen der Wellenverbindung zu umgehen. Die mechanische Wellenverbindung kann trotz der Einflüsse von Torsionsschwingungen weiterhin genutzt werden.
In einer Ausführungsform wird in einer ersten Stufe der Mittelwertbildung ein Mittelungsfenster gewählt, das n₁ Glieder der Zeitreihe enthält, und in einer zweiten Stufe der Mittelwertbildung ein Mittelungsfenster, das n₂ Glieder der Zeitreihe enthält, wobei n₂ > n₁ gilt.
Dabei kann auch noch in einer dritten Stufe der Mittelwertbildung ein Mittelungsfenster gewählt werden, das n₃ Glieder der Zeitreihe enthält, wobei n₃ > n₂ > n₁ gilt.
Wie sich herausgestellt hat, ergibt sich bei einem solchen kaskadierten Mittelwertfilter eine vorteilhafte Filtercharakteristik.
Die Längen n₁, n₂ und n₃ der Mittelungsfenster sind dabei für jede Stufe einstellbar. Gemäß einer Ausführungsform werden sie drehzahlabhängig gewählt. Auf diese Weise kann eine Laufzeitoptimierung erzielt werden, indem die Glättung des Signals durch Mittelwertbildung beispielsweise bevorzugt in Drehzahlbereichen eingesetzt oder verstärkt in Drehzahlbereichen eingesetzt wird, in denen die Motorschwingungen Resonanzfrequenzen der Wellenverbindung treffen.
In einer Ausführungsform des Verfahrens werden als die Drehzahl des Verbrennungsmotors beschreibende Größe Zahnzeiten eines Kurbelwellengeberrades verwendet. Derartige Zahnzeiten werden beispielsweise mit einem Induktivsensor gemessen. Dabei werden in einer Ausführungsform jeweils eine Anzahl k von Einzelzahnzeiten zu Segmentzeiten zusammengefasst, um Rechenleistung zu sparen und Messfehler auszugleichen.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird aus der gemittelten die Drehzahl des Verbrennungsmotors beschreibenden Größe eine die Kurbelwellenbeschleunigung beschreibende Größe abgeleitet und zur Erkennung von Verbrennungsaussetzern des Verbrennungsmotors verwendet. Das hat den Vorteil, dass die Erkennung von Verbrennungsaussetzern sicher und gleichzeitig mit verhältnismäßig geringem Rechenaufwand erfolgen kann.
Diese Art der Signalaufbereitung kann jedoch auch für andere Funktionen neben der Verbrennungsaussetzererkennung genutzt werden, die als Eingangssignal ebenfalls die Kurbelwellenbeschleunigung einzelner Verbrennungszyklen benötigen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Computerprogrammprodukt bereitgestellt, aufweisend ein computerlesbares Medium und auf dem computerlesbaren Medium abgespeicherten Programmcode, der, wenn er auf einer Recheneinheit ausgeführt wird, die Recheneinheit anleitet, das beschriebene Verfahren auszuführen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Diagnoseeinrichtung für einen durch eine Welle mit einer elektrischen Maschine gekoppelten Verbrennungsmotor bereitgestellt, die folgendes aufweist:

– zumindest eine Ermittlungsvorrichtung ausgebildet zur Ermittlung einer die Drehzahl des Verbrennungsmotors beschreibenden Größe;
– zumindest eine Recheneinheit ausgebildet zur Erstellung einer Zeitreihe der die Drehzahl des Verbrennungsmotors beschreibenden Größe und zur Filterung von Einflüssen von Torsionsschwingungen der Welle aus dieser Zeitreihe mittels einer mehrstufigen Mittelwertbildung an der die Drehzahl des Verbrennungsmotors beschreibenden Größe. Die Recheneinheit ist hierbei ausgestaltet, dass nach der Mittelwertbildung der Ausgangssignalverlauf in 30°-Segmentzeiten gesplittet wird, um eine Kurbelwellenbeschleunigung zu messen.

Die Recheneinheit ist insbesondere als Motorsteuergerät ausgebildet und die Ermittlungsvorrichtung als Sensor, beispielsweise als Induktivsensor oder Hallsensor.
Ausführungsbeispiele werden nun anhand der Zeichnungen näher erläutert.
1 zeigt schematisch eine Diagnoseeinrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 zeigt beispielhaft Graphen eines Rohsignals eines Drehzahlsensors während eines Drehzahlhochlaufs des Verbrennungsmotors;
3 zeigt beispielhaft den Verlauf der zur Erkennung von Verbrennungsaussetzern ausgewerteten Segmentzeiten;
4 zeigt beispielhaft die Filtercharakteristik des gemäß einer Ausführungsform der Erfindung angewandten Filters;
5 zeigt beispielhaft den Verlauf der gefilterten sowie der ungefilterten zur Erkennung von Verbrennungsaussetzern ausgewerteten Einzelzahnzeiten;
6 zeigt beispielhaft den Verlauf der aus den gefilterten Einzelzahnzeiten gewonnenen Segmentzeiten.
1 zeigt eine Diagnoseeinrichtung 1 zur Überwachung eines Verbunds aus einem Verbrennungsmotor 2 und einer elektrischen Maschine 3. Der Verbrennungsmotor 2 und die elektrische Maschine 3 weisen eine Wellenverbindung mittels einer gemeinsamen Welle, der Kurbelwelle 4, auf.
Die Diagnoseeinrichtung 1 umfasst einen Sensor 6, der Durchgangszeiten von Zähnen eines Kurbelwellengeberrads 5 aufnimmt. Der Sensor 6 ist beispielsweise als Hallsensor oder als induktiver Sensor ausgebildet. Über eine Signalleitung 9 wird das Signal des Kurbelwellengeberrads 5 an ein Steuergerät 7 gegeben. In einem Speicher 8 des Steuergeräts 7 ist Programmcode abgelegt, der die Durchführung des Verfahrens zur Diagnose des durch die Kurbelwelle 4 mit der elektrischen Maschine 3 gekoppelten Verbrennungsmotors 2 erlaubt.
Die Durchführung des Verfahrens wird anhand der folgenden Figuren erläutert.
2 zeigt im ersten Graphen den Verlauf der Drehzahl des Verbrennungsmotors von 1800 bis 5000 min^–1 mit 40 Nm, wie ihn der Sensor 6 aufnimmt. Aufgetragen ist die Drehzahl über der Zeit.
Der zweite Graph in 2 zeigt eine Detailvergrößerung aus dem im ersten Graphen mit „1” gekennzeichneten Bereich für niedrige Drehzahlen. Es handelt sich bei dem verwendeten Beispiel um einen 2-Zylinder-Motor mit ungleichen Zündabständen, was sich in dem im zweiten Graphen gezeigten Signal wiederspiegelt.
Der dritte Graph in 2 zeigt eine Detailvergrößerung aus dem im ersten Graphen mit „2” gekennzeichneten Bereich für hohe Drehzahlen. Dabei ist erkennbar, dass dem Signal des Verbrennungsmotors ein kurzwelliges Signal (d. h. ein Signal mit höherem Frequenzanteil) überlagert ist, nämlich das durch Torsionsschwingungen der Kurbelwelle 4 verursachte Signal. Die Amplituden dieses Signals sind teilweise so groß, dass sie eine Auswertung zur Erkennung von Verbrennungsaussetzern unmöglich machen.
3 zeigt den Verlauf der Segmentzeiten, das heißt den Verlauf der Durchgangszeiten von Segmenten des Kurbelwellengeberrads 5. Zur Ermittlung der Segmentzeiten wird folgendermaßen vorgegangen: Mittels des Sensors 6 werden Einzelzahnzeiten aufgenommen, d. h. Durchgangszeiten einzelner Zähne des Kurbelwellengeberrads 5. Die Segmentzeiten werden als Summe einer festgelegten Anzahl von Einzelzahnzeiten gebildet.
Im vorliegenden Beispiel werden 30°-Segmente verwendet, d. h. pro Umdrehung 12 Segmente. Jedes der Segmente umfasst bei einem gängigen Kurbelwellengeberrad, einem sogenannten 60-2-Rad mit 58 Zähnen und zwei Lücken, 5 Zähne.
Die Segmentzeiten in 3 springen stark, was auf die mit hoher Amplitude überlagerten Torsionsschwingungen zurückzuführen ist, und sind daher für eine Auswertung des Drehzahlgradienten zur Aussetzererkennung nicht geeignet.
4 zeigt beispielhaft die Filtercharakteristik des gemäß einer Ausführungsform der Erfindung angewandten Filters. Aufgetragen ist der Pegel in Dezibel über der Frequenz.
Gemäß dieser Ausführungsform wird eine mehrstufige Mittelwertbildung vorgenommen, und zwar in drei Stufen, wobei die Länge des Mittelungsfensters in der ersten Stufe 6 Zähne, in der zweiten Stufe 8 Zähne und in der dritten Stufe 10 Zähne beträgt. Gemittelt werden demnach die gemessenen Einzelzahnzeiten, bevor daraus Segmentzeiten gebildet werden.
Es können auch andere Längen der Mittelungsfenster gewählt werden. Geeignete Längen können insbesondere experimentell bzw. mittels einer Simulation bestimmt werden.
Mit diesem Filterprinzip lässt sich ein stark geglättetes Signal erzielen:
5 zeigt beispielhaft den Verlauf der gefilterten sowie der ungefilterten Einzelzahnzeiten. Dabei ist erkennbar, dass der Verlauf der gefilterten Einzelzahnzeiten erheblich glatter ist.
6 zeigt beispielhaft den Verlauf der aus den gefilterten Einzelzahnzeiten gewonnenen Segmentzeiten. Im Vergleich mit 3 wird auch hier die Glättung deutlich. Die in 6 aufgetragenen Segmentzeiten sind nunmehr für eine Auswertung des Drehzahlgradienten zur Aussetzererkennung geeignet.
Die in 1 gezeigte Diagnoseeinrichtung 1 arbeitet somit wie folgt: Die gemessenen Einzelzahnzeiten des Kurbelwellengeberrads 5 werden in einem Puffer des Steuergeräts 7 gespeichert und dienen als Eingangssignal für einen mehrstufigen kaskadierten Mittelwertfilter. Nach Korrektur des durch die Filterung entstandenen Phasenversatzes wird der Ausgangssignalverlauf des Filters in 30°-Segmentzeiten gesplittet, die nachfolgend für die Bestimmung der Kurbelwellenbeschleunigung verwendet werden. Verbrennungsaussetzer werden erkannt, wenn eine fehlende Kurbelwellenbeschleunigung diagnostiziert wird. Eine vorhandene Kurbelwellenbeschleunigung zeigt eine erfolgte Verbrennung an.
Bezugszeichenliste

1: Diagnoseeinrichtung
2: Verbrennungsmotor
3: elektrische Maschine
4: Kurbelwelle
5: Kurbelwellengeberrad
6: Sensor
7: Steuergerät
8: computerlesbares Medium
9: Signalleitung

Claims

Verfahren zur Diagnose von Verbrennungsaussetzern eines durch eine Welle (4) mit einer elektrischen Maschine (3) gekoppelten Verbrennungsmotors (2), wobei eine Zeitreihe einer die Drehzahl des Verbrennungsmotors (2) beschreibenden Größe aufgenommen und Einflüsse von Torsionsschwingungen der Welle (4) aus dieser Zeitreihe gefiltert werden, indem eine mehrstufige Mittelwertbildung an der die Drehzahl des Verbrennungsmotors (2) beschreibenden Größe vorgenommen wird, wobei nach der Mittelwertbildung der Ausgangssignalverlauf in 30°-Segmentzeiten gesplittet wird, um eine Kurbelwellenbeschleunigung zu messen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in einer ersten Stufe der Mittelwertbildung ein Mittelungsfenster gewählt wird, das n₁ Glieder der Zeitreihe enthält und wobei in einer zweiten Stufe der Mittelwertbildung ein Mittelungsfenster gewählt wird, das n₂ Glieder der Zeitreihe enthält, wobei n₂ > n₁ gilt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei in einer dritten Stufe der Mittelwertbildung ein Mittelungsfenster gewählt wird, das n₃ Glieder der Zeitreihe enthält, wobei n₃ > n₂ > n₁ gilt.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Längen n₁, n₂ und n₃ der Mittelungsfenster drehzahlabhängig gewählt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei als die Drehzahl des Verbrennungsmotors (2) beschreibende Größe Zahnzeiten eines Kurbelwellengeberrades (5) verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei jeweils eine Anzahl k von Einzelzahnzeiten zu Segmentzeiten zusammengefasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei aus der gemittelten die Drehzahl des Verbrennungsmotors (2) beschreibenden Größe eine die Kurbelwellenbeschleunigung beschreibende Größe abgeleitet und zur Erkennung von Verbrennungsaussetzern des Verbrennungsmotors (2) verwendet wird.
Computerprogrammprodukt, aufweisend ein computerlesbares Medium (8) und auf dem computerlesbaren Medium abgespeicherten Programmcode, der, wenn er auf einer Recheneinheit (7) ausgeführt wird, die Recheneinheit (7) anleitet, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
Diagnoseeinrichtung (1) für einen durch eine Welle (4) mit einer elektrischen Maschine (3) gekoppelten Verbrennungsmotor (2), die folgendes aufweist: – zumindest eine Ermittlungsvorrichtung (6) ausgebildet zur Ermittlung einer die Drehzahl des Verbrennungsmotors (2) beschreibenden Größe; – zumindest eine Recheneinheit (7) ausgebildet zur Erstellung einer Zeitreihe der die Drehzahl des Verbrennungsmotors (2) beschreibenden Größe und zur Filterung von Einflüssen von Torsionsschwingungen der Welle (4) aus dieser Zeitreihe mittels einer mehrstufigen Mittelwertbildung an der die Drehzahl des Verbrennungsmotors (2) beschreibenden Größe, wobei die Recheneinheit (7) ausgestaltet ist, dass nach der Mittelwertbildung der Ausgangssignalverlauf in 30°-Segmentzeiten gesplittet wird, um eine Kurbelwellenbeschleunigung zu messen.