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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln des Schließzeitpunkts eines Ventils.
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Bei einem Ventilsteuerungssystem ist der Schließ-/Aufsetzzeitpunkt eines Ventils eines der wichtigsten dynamischen Parameter für die Steuerung und Diagnose in Anwendungsbereichen in der Automobilindustrie, bei Herstellern von medizinischen Geräten, in der Energieindustrie, bei Herstellern von Maschinen sowie in der chemischen Industrie.
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Bei einem variablen Ventilbetätigungssystem in einem Verbrennungsmotor, wie beispielsweise einem INA UniAir-System, kann der Schließzeitpunkt und/oder die Winkelstellung eines mechanischen Ventils (Einlass- oder Auslassventil) als Rückkopplungssignal für eine genauere Steuerung verwendet werden, was dazu führt, dass der Verbrennungsprozess, die Leistung und der Ausstoß des Motors optimal gesteuert werden können.
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Ferner ist es möglich, dass ein mechanisches Ventil, das von einer hydraulischen oder elektromagnetischen Vorrichtung angetrieben wird, gar nicht oder fehlerhaft betätigt wird und zu unregelmäßiger Verbrennung (z. B. Fehlzündungen, hohem Ausstoß von Schadstoffen, etc.) in dem Verbrennungsmotor führen kann. Daher kann die Diagnose und Erfassung des geschlossenen/offenen Zustands eines Ventils die Robustheit, Zuverlässigkeit sowie das Sicherheitsniveau eines Ventilsteuerungssystems stark verbessern.
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Das sogenannte UniAir-System ist ein voll variables Ventiltriebsystem und ermöglicht eine nahezu beliebige Variation des Ventilhubs eines Verbrennungsmotors/einer Verbrennungskraftmaschine.
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Das UniAir-System besteht aus einem von einer Nockenwelle angetriebenen, mechanisch-hydraulischen Aktuator/Aktor mit integrierten, elektrischen Hydraulikschaltventilen und einer Ventilsteuerungs-Software, die in der Gesamtmotorsteuerung implementiert wird. Die Übertragung der Nockenkontur auf das Motorventil erfolgt über ein definiertes Ölvolumen. Durch eine entsprechende Ansteuerung der hydraulischen Schaltventile kann dieses Ölvolumen kontrolliert werden. Dadurch wird eine gezielte Veränderung der Motorventilhubkurve hinsichtlich des Zeitpunkts einer Öffnungs- und Schließflanke sowie des Ventilhubs ermöglicht. Darüber hinaus sind auch mehrfache Ventilhübe während einer Umdrehung (Multilift) möglich. Durch diese Technologie können erhebliche Verbrauchs- und Emissionsreduzierungen dargestellt werden, wie auch eine deutliche Verbesserung des Drehmomentverlaufs über das gesamte Drehzahlband des Motors auftritt.
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Die hier beschriebene Idee dient der Erfassung des Aufsetzzeitpunkts oder der Winkelstellung eines Ventils in einem Verbrennungsmotor bzw. des Aufsetzzustands eines Ventils auf der Grundlage einer durch den Aufschlag während des Aufsetzens des Ventils erzeugten Schwingung oder eines Schall- oder Ultraschallsignals. Die Idee ist jedoch nicht auf die Erfassung des Aufsetzens eines Ventils in einem Ventil-Antriebssystem beschränkt. Das Verfahren kann allgemein in Anwendungen verwendet werden, um den Zeitpunkt eines mechanischen Aufschlags zu erfassen, durch den Schall-/Ultraschall-Energie freigesetzt wird, beispielsweise im Falle der Öffnung eines mechanischen Ventils, der Öffnung/Schließung eines Magnetventils, oder in Anwendungen zur Bestimmung des Zeitpunkts eines physikalischen Zusammenstosses zwischen mechanischen Bauteilen.
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Bekannter Stand der Technik ist beispielsweise auch aus der
US 7089895 B2 bekannt. Das in der
US 7089895 B2 beschriebene Verfahren erfordert die wechselseitige Beziehung sowohl eines Klopfsignals als auch eines Beschleunigungsmessers, der jeweils einen Ventilkörper umschließt, um so das Aufsetzen des Ventils zu bestimmen. Für Anwendungsbereiche in der Automobilindustrie ist eine derartige Anordnung mit zwei Sensoren auf Grund des Kostenfaktors fast unmöglich.
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In Anwendungsbereichen mit beschränkter Möglichkeit für einen extra Sensor oder extra Hardware ist es vorteilhaft, eine Softwarelösung zur Erfassung des Schließ- und/oder Öffnungszeitpunks eines Ventils bei vorhandener Hardwareausstattung mit einem zusätzlichen Sensor bereitzustellen. Diese Alternative ist bedeutsam für Anwendungsbereiche in der Automobilindustrie. Tatsächlich sind die meisten Benzinmotoren auf der Straße mit einem Klopfsensor ausgerüstet.
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Benachbarter Stand der Technik ist auch aus der
DE 10 2005 061 551 B3 bekannt. Diese Druckschrift offenbart ein Bremssystem eines Fahrzeugs, beinhaltend a) eine erste, von einem fahrerbetätigten Betriebsbremswertgeber angesteuerte Steuerventileinrichtung (EPM), welche in Abhängigkeit eines vom Betriebsbremswertgeber ausgesteuerten Bremsanforderungssignals einen Bremsdruck für wenigstens einen Bremszylinder erzeugt, b) wenigstens eine zweite Steuerventileinrichtung (PCV) zum schlupfabhängigen Regeln des von der ersten Steuerventileinrichtung (EPM) ausgesteuerten Bremsdrucks, wobei c) der von der ersten Steuerventileinrichtung (EPM) erzeugte Bremsdruck in einer sich zwischen der ersten Steuerventileinrichtung (EPM) und der zweiten Steuerventileinrichtung (PCV) erstreckenden Druckleitung geführt ist, und d) wenigstens die erste Steuerventileinrichtung (EPM) und die zweite Steuerventileinrichtung (PCV) von einem elektronischen Steuergerät (ECU) angesteuert sind, und mit e) Mitteln zur Erkennung einer eine Notbremsung erfordernden Gefahrensituation, welche im Falle des Vorliegens einer solchen Gefahrensituation ein Gefahrensignal aussteuern, wobei f) das elektronische Steuergerät (ECU) derart ausgebildet ist, dass es falls ein Gefahrensignal erzeugt wurde und der Fahrer den Betriebsbremswertgeber noch nicht betätigt hat, die erste Steuerventileinrichtung (EPM) und die zweite Steuerventileinrichtung (PCV) ansteuert, um zunächst eine Strömungsverbindung zwischen der Druckleitung und dem wenigstens einen Bremszylinder zu sperren und dann Druck in die Druckleitung einzusteuern.
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Weiterer Stand der Technik ist aus der
DE 196 23 698 A1 bekannt. Auch ist als Stand der Technik ein Anwendungsbericht der Firma Texas Instruments namens „Engine Knock Detection Using Spectral Analysis Techniques With a TMS320 DSP”, aus dem Jahr 1995, und ein Ausschnitt aus der Fachliteratur „Contemporary Mathematics – Centroids: Fast Fourier transform versus wavelets in: Mathematical Analysis, Wavelets, and Signal Processing” von Y. M. Gordon und A. I. Zayed, aus dem Jahr 1995, bekannt.
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Benachbarter Stand der Technik ist auch aus der
DE 10 2005 062 550 A1 bekannt. Diese Druckschrift offenbart ein Verfahren zur Steuerung eines ein Ventil betätigenden hydraulischen Stellers, insbesondere zur Steuerung eines Stellers eines Gaswechselventils mit variablem Hub, in einem Ventilstellsystem, bei dem ein Ansteuerungsereignis eine Schließphase des Gaswechselventils einleitet, wobei zum Ende der Schließphase das Gaswechselventil zu einen Schließzeitpunkt (tse, wse) schließt, wobei der Zeitpunkt des Ansteuerungsereignisses als Schließbeginn (wem2, tem2) betrachtet wird, und wobei zur Steuerung der Schließphase eine Schließdauer (tsd_ber), die voraussichtlich zwischen Schließbeginn (wem2, tem2) und Schließzeitpunkt (tse, wse) verstreicht, in Abhängigkeit mindestens eines Betriebsparameters des Ventilstellsystems berechnet wird, wobei für einen Schließvorgang eine Ist-Schließdauer (tsd_ist) ermittelt wird, dass die Ist-Schließdauer (tsd_ist) mit der berechneten Schließdauer (tsd_ber) verglichen wird, dass auf Basis eines oder mehrerer solcher Vergleiche bewertet wird, ob festgestellte Abweichungen der Ist-Schließdauern (tsd_ist) von den zugehörigen berechneten Schließdauern (tsd_ber) verringert werden sollen, und dass im Falle eines festgestellten Bedarfs mindestens ein Adaptionswert, der bei der Bestimmung einer Schließdauer (tsd_ber) zur Ansteuerung des Gaswechselventils berücksichtigt wird und der die Genauigkeit der Schließwinkelsteuerung mindestens für einen Teilbereich von möglichen Werten des mindestens einen Betriebsparameters beeinflusst, so angepasst wird, dass die genannten Abweichungen mindestens im Mittel verringert werden.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Nachteile aus dem Stand der Technik abzustellen oder wenigstens zu mildern. Dies wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren durch die Merkmale des Anspruchs 1 erreicht, wobei unter anderem enthalten ist, dass ein Signal, wie ein Vibrations- oder (Ultra-)Schallsignal, von einem Sensor aufgenommen wird, das Signal gefiltert und/oder remodelliert wird, ein Bearbeitungsbereich oder ein Bearbeitungsfenster in einem bestimmten Bereich definiert wird, wobei ein Regel- oder Steuersignal als Ausgangsgröße für eine erste Zeitgrenze des Bearbeitungsbereichs oder -fensters herangezogen wird, in Abhängigkeit eines Abflachens des erfassten Signals eine zweite Zeitgrenze des Bearbeitungsbereichs oder -fensters zum Definieren des Bearbeitungsbereichs herangezogen wird, mit Schritten des Trimmens des Signals und/oder des Abschneidens von Werten des Signals, wobei ein Teil eines Absolutwertes des Signals unterhalb einer Trennschwelle abgeschnitten wird, wobei weiter die obere Signalintensität wiedergebende Wellenform über eine trapezförmige Fensterung abgeschnitten wird, und Berechnen eines Schwerpunkts der durch das getrimmte Signal bei dessen Antragen in einem Diagramm bedingten Fläche innerhalb der ersten Zeitgrenze und der zweiten Zeitgrenze erhalten wird.
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Die nun hier beschriebene innovative Idee bzw. der Algorithmus basiert nur auf der Analyse eines Signals von einem Beschleunigungs-/Schwingungssensor bei einem mechanischen Aufschlag; ein weiterer Sensor ist nicht nötig. Daher kann die hier vorgeschlagene Idee einfach in Form einer Software ohne zusätzliche Hardware umgesetzt werden. In den 1a und 1b sind zwei Signale wiedergegeben, wobei in 1a jene durch einen Ventilaufschlag auf den Ventilsitz erzeugte Beschleunigungssignale sowie Störungen/Überlagerungen (d. h. mit starker Störung/Überlagerung vermischtes Signal) und in 1b Beschleunigungssignale mit weniger Störungen/Überlagerungen (d. h. Signal mit weniger Störungen) dargestellt sind.
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Die für den Aufschlag maßgebliche Wellenform (Waveform relevant to the impact) ist mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnet. Der Aufschlagzeitpunkt des Ventils auf den Ventilsitz (Impact point for valve on its seat) ist mit dem Bezugszeichen 2 gekennzeichnet. Die Wellenformen störender Quellen (Waveforms of disturbing sources) sind mit dem Bezugszeichen 3 gekennzeichnet. Die Linie 4 bezeichnet den Ventilhub und der weiße Punkt bezeichnet den Zeitpunkt des Aufschlags.
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Zwei technische Aspekte zur Erfassung des Zeitpunkts eines mechanischen Aufschlags bestehen darin, a) lediglich den maßgeblichen Teil der Signale zu extrahieren, die durch den Aufschlag erzeugt werden und ein weites Frequenz-Spektrum besitzen, das durch unterschiedliche Schwingungen aus unterschiedlichen Schwingungsquellen hervorgerufen wurde; siehe 1a bei einem typischen aufgezeichneten Schall-/Schwingungssignal, das mit Störungen/Überlagerungen aus anderen Schwingungsquellen aus einem Ventilaufschlag vermischt ist; und b) aus dem für eine gewisse Zeitspanne andauernden Signal zuverlässig den Aufschlagzeitpunkt genau zu bestimmen; siehe 1b hinsichtlich eines recht sauberen Signals vor, während und nach einem Aufschlag.
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In den nachfolgenden Abschnitten wird ein INA UniAir-System für einen 4-Zylinder-Verbrennungsmotor als Beispiel genommen, um die beiden Aspekte zur Erfassung des Ventilaufsetzzeitpunkts zu beschreiben. Tatsächlich ist das Verfahren allgemeiner und nicht nur auf eine derartige Anwendung beschränkt.
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Zur Bestimmung des Ventilaufsetzzeitpunkts/-zustands werden die in 2 gezeigten Schritte von der Signalerfassung bis zur endgültigen Bestimmung des Aufschlagzeitpunkts und der Zustandsinformation vorgeschlagen. In 2 ist eine Bestimmung des Zeitpunkts eines mechanischen Zusammenstosses zweier mechanischer Bauteile in Übereinstimmung mit der Emission von Schall/Ultraschallenergie gezeigt.
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In den folgenden Abschnitten wird jeder einzelne Block im Flussdiagramm der 2 eingehend erläutert. Es werden nämlich folgende vorzugsweise nacheinander ablaufenden Schritte durchlaufen:
Schritt 11: Schwingungssignalerfassung durch Sensor (Vibration signal acquisition from sensor)
Schritt 12: Lege Analysefenster für das Signal fest (Define analysis window for the signal)
Schritt 13: Signalfilterung (Signal filtering)
Schritt 14: Signalbeschneidung (Signal trimming)
Schritt 15: Trapezförmige Fensteranlage (Trapezoid-windowing)
Schritt 16: Extrahiere den Aufschlagzeitpunkt im Auswertungsfenster (Extract impact-time in evaluation window)
Schritt 17: Berechne verschiedene Korrekturen (Calculate various corrections)
Schritt 18: Berechne den Zeitpunkt und/oder die Winkelstellung auf der Grundlage der Gl. 1 (Calculate time point and/or angular position based on Eq. 1)
Ein nach Schritt 19 zum Extrahieren des Aufsetz-Zustands (Extract seating status) nach dem Schritt 14.
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Der Schritt 11 befasst sich mit einer Erfassung des Schwingungssignals. Hierbei wird ein akustischer Ton oder ein Ultraschallsignal aus dem Aufschlag verwendet. Das Signal soll der Art nach ein Schwingungssignal sein, wobei nur die Frequenz und die relative Stärke des periodischen Signals von Interesse sind. Jede der nachfolgenden Formen eines Schwingungssignals kann eingesetzt werden, d. h. Bewegung, Geschwindigkeit und Beschleunigung.
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Diese drei Signaltypen werden durch Ableitung oder Integration miteinander in Beziehung gebracht. Die Signale können von einem Schwingungssensor, Beschleunigungssensor oder Klopfsensor erfasst werden.
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In den nachfolgenden Abschnitten ist das Hauptaugenmerk auf Anwendungen eines Klopfsensors für Multiventile gerichtet, insbesondere für INA UniAir-Systeme in einem Mehrzylinder-Verbrennungsmotor.
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Der Schritt 12 befasst sich mit einem Analyse-Fenster für das Signal. Um mit einem „verrauschten” System mit einem Sensor für Multiventile umzugehen, wird ein Analysefenster dynamisch festgelegt gemäß unterschiedlichen betriebsbedingten Zuständen (Motordrehzahl, Last, Temperatur, etc.). Auf diese Art und Weise kann maßgebliche und nützliche Information vom verrauschten Hintergrund isoliert werden. Ferner bleiben Computerressourcen erhalten, indem nur das Signal innerhalb des Fensters weiterverarbeitet wird und das Signal außerhalb des Fensters ignoriert wird.
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In 3 werden typische Signale, die aus einer Messsitzung für einen mit INA UniAir-System ausgestatteten 4-Zylinder-Benzinmotor (4 Ventile pro Zylinder) und bei 4000 Umdrehungen pro Minute erfasst wurden, dargestellt.
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Auf der Abszisse ist die Zeit in ms angetragen. Auf der Ordinate ist die normierte vom Klopfsensor erfasste Beschleunigung (Normalized acceleration from knocking sensor), der Kurbelwellenwinkel in Grad [°CA] (Crankshaft angle) und der mechanische Ventilhub in Millimeter [mm] (Mechanical-valve lift) angetragen.
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Ein Hub des Einlassventils für einen ersten Zylinder 1 (Lift of intake valve for cylinder 1) ist mit dem Bezugszeichen 5 versehen. Ein vom Sensor erfasstes Beschleunigungssignal (Acceleration signal from sensor) ist mit dem Bezugszeichen 6 versehen. Ein Auswertungsfenster (Evaluation window) ist mit dem Bezugszeichen 7 versehen. Ein Zeitpunkt des Ventilaufschlags auf den Ventilsitz (Timing of valve impact on its seat) ist mit dem Bezugszeichen 8 versehen. Der Kurbelwellenwinkel (Crankshaft angle) ist mit dem Bezugszeichen 9 versehen. Ein Hub des Auslassventils (Lift of exhaust valve) ist mit dem Bezugszeichen 10 versehen.
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Ein typisches Beschleunigungssignal von einem Klopfsensor ist in der 3 gezeigt. Die Messung erfolgte bei einem mit INA UniAir-System ausgestatteten Motor, bei dem die mechanischen Einlassventile durch ein elektronisch gesteuertes Magnetventil hydraulisch angetrieben werden.
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Das gepunktet dargestellte Rechteck 7 stellt dabei ein ausgewähltes Fenster zur Analyse der Aufschlagzeit eines Einlassventils auf den Ventilsitz dar, wobei der Ventilaufschlagpunkt innerhalb des Fensters liegen soll. Genauer gesagt, ist das Analysefenster wie folgt definiert:
- • die linke Seite des Fensters fällt mit dem Zeitpunkt zusammen, zu dem ein elektronisch gesteuerter Befehl zur Schließung des Einlassventils ausgegeben wird, zuzüglich einer zur Minimierung der Größe des Analysefensters berechneten Verzögerung;
- • die rechte Seite des Fensters wird durch einen kalibrierbaren Parameter bestimmt, mit dem die Aufschlagdauer des Einlassventils gut durch die Fensterbreite abgedeckt wird, für eine größere Bandbreite an Betriebsbedingungen, wie z. B. Motordrehzahl, Last, Temperatur, Anforderung eines Ventil-Schließzeitpunkts, etc. Die folgenden Faktoren sind für die rechte Seite des Fensters bedeutsam:
- a. die Zeitdauer ab dem Aufschlagzeitpunkt bis zum Abklingen der Schallenergie-Emission;
- b. die Auswirkung, die eine Abschirmung der Störung/Überlagerung mit sich bringt.
- • die Breite des Analysefensters variiert je nach den Betriebsbedingungen des Motors (beispielsweise Motordrehzahl, erforderlicher Ventil-Schließwinkel, Dauer der ballistischen Phase des Ventils, Systemtemperatur, etc.)
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In 4 schirmt das nach den oben beschriebenen Grundsätzen festgelegte Analysefenster deutlich ein großes Störsignal rechts und außerhalb des Analysefensters ab. Auf der Abszisse ist die Zeit in ms angetragen. Auf der Ordinate Vibrations- und Hubsignale angetragen.
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Ursprüngliche Signale, Signale, die durch ein Hochpassfilter (31 kHz) gefiltert wurden, und Wavelet-Verfahren mit einem Frequenzsatz von 36350, 37950, 39750, 41550, 43550, 45950, 48350, 51350, 54550, 58050, 62050 und 66550 Hz. Das dick, gestrichelt dargestellte Rechteck bezeichnet das Auswertungs-/Analysefenster. Alle Signale sind normiert.
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Es werden Schwingungs- und Hubsignale (Vibration and lift signals) mit dem Bezugszeichen 20, ein ursprüngliches Signal (Original signal) mit dem Bezugszeichen 21, MV-Hübe/Hübe des magnetischen Ventils (MV lifts) mit dem Bezugszeichen 22, ein geschätzter MV-Aufschlagzeitpunkt (Estimated MV impact time point) mit dem Bezugszeichen 23, der Zeitpunkt, wann sich das Magnetventil öffnet und sich das mechanisches Ventil (MV) zu schließen beginnt (SV opens and MV starts to close) mit dem Bezugszeichen 24 versehen.
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Eine durch einen 31 kHz-Hochpassfilter gefilterte Signalkurve (Filtered by 31 kHz high-pass filter) ist mit dem Bezugszeichen 25 versehen. Eine gefilterte und durch das Wavelet-Verfahren rekonstruierte Signalkurve (Filtered and reconstructed by wavelet method) ist mit dem Bezugszeichen 26 versehen.
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Eine Signalfilterung läuft wie folgt ab:
Bei Motoranwendungen kann das von einem Klopfsensor aufgenommene Signal verrauscht sein. Ein von einem bestimmten Einlassventil abgegebenes Signal kann mit Störgeräuschen aus Einlassventilen der anderen Zylinder, Auslassventilen, aus dem Verbrennungsprozess, aus Magnetventilen oder anderen mechanischen/hydraulischen Störgeräuschen vermischt sein. Daher sollen folgende Signalfilterungs-Strategien angewandt werden:
- 1. Bandfilter, damit nur Schall-/Ultraschallsignale eines gewissen Frequenzbands durchgelassen werden;
- 2. Hochpassfilter, damit nur höherfrequente Anteile oder sogar Ultraschallanteile des Signals durchgelassen werden;
- 3. Wavelet-Verfahren/Filter in Fällen, in denen der CPU-Zeitpunkt nicht ausschlaggebend ist, damit nur diejenigen Frequenzen durchgelassen werden, die direkt mit der natürlichen Frequenz und ihrer Oberschwingungen, die durch den Aufschlag des Ventils erzeugt wurden, in Beziehung stehen. Im Gegensatz zum Bandfilter ist das Wavelet-Verfahren in der Lage, Multi-Frequenzen wirksam zu verarbeiten.
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4 zeigt Wellenformen eines ursprünglichen Signals, eines mit einem 31 kHz-Hochpassfilter gefilterten Signals, sowie ein Signal, das durch ausgewählte Frequenzen nach dem Wavelet-Verfahren rekonstruiert wurde.
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Der Figur ist zu entnehmen, dass das ursprüngliche Signal (schwarz dargestellte Wellenform) mit so großen Störungen vermischt ist, dass es eine Korrelation mit dem Aufschlagpunkt gar nicht zeigt. Das durch ein 31 kHz-Hochpassfilter gefilterte Signal (rosafarbene Wellenform) zeigt eine bessere Korrelation. Jedoch zeigt das anhand des Wavelet-Verfahrens gefilterte Signal (grün dargestellte Wellenform) durch einen Satz von Frequenzen, die direkt mit der natürlichen Frequenz und ihren Oberschwingungen aus dem Aufschlag in Beziehung stehen, die beste Korrelation zwischen Aufschlagpunkt und Wellenform. Anders ausgedrückt, ist die Bezeichnung der Aufschlagposition/des Aufschlagzeitpunkts offensichtlicher. Ferner, ist das durch das Wavelet-Verfahren gefilterte Signal recht sauber und eine abklingende Wirkung in der Signalstärke nach dem Aufschlag ist deutlich sichtbar.
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In 5 ist ein Gefiltertes Signal, beschnittenes (trimmed) Signal, verschobenes Signal und Signal nach Bearbeitung durch trapezförmige Funktion respektive mit den Bezugszeichen 27, 28, 29 und 30 versehen. Auf der Abszisse ist die Zeit in ms angetragen. Auf der Ordinate sind die Schwingungssignale (Vibration signals) angetragen.
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Eine Trenn-Schwelle zur Signalbeschneidung (Cut-off threshold for signal trimming) ist mit dem Bezugszeichen 31 versehen. Ein Absolutwert des gefilterten Signals (Absolute value of filtered signal) ist in der Linie 28 aufgetragen. Ein trapezförmiges Fenster, bzw. die damit einhergehende Funktion (Trapezoid window function), ist mit der Linie 32 angedeutet.
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Die Signalbeschneidung läuft wie folgt ab:
Nach der Filterung des Signals können einige Störgeräusche mit übereinstimmenden Frequenzen noch im Signal verbleiben. Das zweckmäßige Abschneiden eines derartigen Signals geringer Stärke hat keinen großen Einfluss auf die Bestimmung des Aufschlagzeitpunkts und macht auch die Zeitpunkt-Bestimmung weniger abhängig von der Lage des Analysefensters.
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Die Signalbeschneidung wird wie folgt durchgeführt. An einer zuvor festgelegten Trenn-Schwelle wird der untere Teil eines Absolutwerts des Signals abgeschnitten. Das entsprechende Verschieben des Signals nach unten wird der Einfachheit halber durchgeführt, siehe in 5 das Beispiel des zuerst nach dem Wavelet-Verfahren gefilterten Signals.
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Die „trapezförmige Fensterung (Trapezförmiges Windowing)” läuft wie folgt ab:
Eine trapezförmige Fensterfunktion wird bei dem Signal angewandt, siehe die untere Darstellung in 5. Die Fensterfunktion misst das Signal asymmetrisch, aber formt das Signal nicht wesentlich um. Im Grunde, wird dadurch das Schwerkraftzentrum des Signals nach links verschoben (früherer Zeitpunkt) und der Anteil des Signals ganz rechts verringert. Auf ähnliche Weise kann das Schwerkraftzentrum nach rechts verschoben werden, wobei das Trapezoid jedoch in entgegengesetzter Richtung liegt. Mit der Funktion eines trapezförmigen Fensters wird eine Verschiebung des Signals systematisch auf alle Aufschläge hin durchgeführt.
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Tatsächlich können folgende Verarbeitungsarten des Signals, d. h.
- • Ermittlung der Startposition (links) des Fensters;
- • Festlegung der Fenstergröße
- • Beschneiden/Abschneiden des Signals;
- • Trapezförmige Fensterung;
miteinander kombiniert werden, so dass eine vollständige Strategie einer Fensterbearbeitung des Signals gebildet werden kann, siehe 6.
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Auf der Abszisse ist die Zeit in ms angetragen. Auf der Ordinate sind die Schwingungssignale (Vibration signals (abs.)) angetragen.
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Ein Start des Fensters (Window start) ist mit dem Bezugszeichen 33, die trapezförmige Fensterfunktion (Trapezoid wndow function) mit der Linie 34, eine Beschneidungslinie (Trimming line) mit der Linie 35 und ein Ende des Fensters (Window end) mit der Linie 36 gekennzeichnet.
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Eine Bestimmung des Aufsetzzustands des Ventils erfolgt wie folgt:
Die durch einen Sensor gemessene Schwingungsintensität während des Aufschlags wird dazu verwendet, den Schließzustand des Ventils im vorliegenden Beispiel zu erfassen. Genauer gesagt, wenn die Schwingungsintensität höher als eine kalibrierbare Grenzlinie ist, wird dadurch angezeigt, dass ein ordnungsgemäßes Aufsetzen/Schließen des Ventils stattfindet.
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Eine Extraktion/Feststellung des Schließzustands erfolgt wie folgt:
Mit dem gefilterten Signal kann der Schließzustand des Ventils durch die Signalintensität bestimmt werden. Dies wird durchgeführt, indem eines der folgenden Verfahren bei dem gefilterten Signal innerhalb des Analysefensters verwendet wird:
- • das Signalmaximum nach Anwendung eines Störzonenunterdrückungsverfahrens;
- • Mittelung des Signals;
- • quadratischer Mittelwert/Effektivwert des Signals
mit den entsprechenden Grenzbereichen
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Die Bestimmung des Ventil-Aufsetzzeitpunkts erfolgt wie folgt:
Nachdem das Signal, wie in den vorhergehenden Abschnitten beschrieben, vor-verarbeitet wurde, erhält man ein recht sauberes Signal. Der Ventil-Aufsetzzeitpunkt wird danach durch folgende Gleichung bestimmt: tseating = tCG – tdelay – tpropagation – tfilterDelay, (Gleichung 1) wobei, mit dem Start des Auswertungsfensters als Zeitbezugspunkt (t = 0),
tseating den Aufsetzzeitpunkt (oder Schließzeitpunkt) des mechanischen Ventils bezeichnet;
tCG das Schwerkraftzentrum der Wellenform des Schwingungssignals aus dem Aufschlag bezeichnet;
tdelay eine Verzögerung des Schwerkraftzentrums zum Ventil-Aufsetzzeitpunkt bezeichnet;
tpropagation eine durch eine sich über eine bestimmte Entfernung ausbreitende Schwingungswelle verursachte Ausbreitungszeit bezeichnet;
tfilterDelay eine durch Hardware und/oder Software-Filter verursachte Signalverzögerung bezeichnet.
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Das Schwerkraftzentrum tCG des Schwingungssignals gibt den Ort an, an dem intensive Schwingung/Schallenergie während des Aufschlags abgegeben wird. Es bildet die Grundlage einer Schätzung des tatsächlichen Aufschlagzeitpunkts. Andere Zeitkomponenten in (Gl. 1) sind gewissermaßen Korrekturen an tCG.
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Zusätzlich zum Schwerkraftzentrum kann der Zentroid derselben Signal-Wellenform auch zur Annäherung an den Zeitpunkt intensiver Schwingung/Schallenergie-Emission verwendet werden. Jedoch haben Testergebnisse gezeigt, das das Zentroid-Verfahren ungenauer als das Schwerkraftzentrum-Verfahren ist.
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Der Zeitpunkt des tatsächlichen Ventilaufschlags bzw. Ventilaufsetzens liegt vor dem Zeitpunkt zu dem Schall-/Ultraschallenergie mit maximaler Intensität freigesetzt wird. Eine derartige Verzögerung, tdelay, hat auch Einfluss auf die Schätzung des tatsächlichen Aufschlagzeitpunkts.
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Ein Vibrationssensor wird oft vom Ort des Aufschlags entfernt eingebaut und erfasst lediglich ein zeitlich verschobenes Signal. Die Verzögerung, tpropagation, wird durch eine begrenzte Geschwindigkeit der Schallwelle oder Ultraschallwelle im betroffenen Medium verursacht.
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Ferner soll für die Fälle, in denen elektronische oder digitale Filter zur Anwendung kommen, eine zusätzliche Verzögerung, tfilterDelay, berücksichtigt werden.
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In 7 ist ein erarbeitetes Signal, sowie die Beziehung zwischen dem Schwerkraftzentrum des Signals und dem tatsächlichen Aufschlagszeitpunkt dargestellt. Auf der Abszisse ist die Zeit in ms angetragen. Auf der Ordinate sind die Schwingungs- und Hubsignale (Vibration and lift signals) angetragen.
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Ein Zeitpunkt des Ventilaufschlags (Valve impact time point) ist mit dem Bezugszeichen 37 und ein Schwerkraftzentrum des Signals (Center of gravity of signal) mit dem Bezugszeichen 38 versehen.
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Das Schwerkraftzentrum der Wellenformen wird wie folgt ermittelt:
Nach allen Bearbeitungen des Signals ist die eigentliche Analyse/das eigentliche Analysefenster sehr viel begrenzter und der verbleibende Teil des Signals konzentriert sich rund um den Aufschlagzeitpunkt. Dieser Vorteil bewirkt, dass das ganze Verfahren sehr viel weniger von Ort und Größe des Analysefensters abhängt.
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Diese endgültige Signal-Wellenform wird dazu verwendet um zuerst das Schwerkraftzentrum abzuschätzen, tCG = ΣtiVi/ΣVi (Gleichung 2) wobei
tCG, wie oben festgelegt, das Schwerkraftzentrum des Schwingungssignals ist,
Vi die Werte des Schwingungssignals zum Zeitpunkt ti darstellen,
wobei die Summierung für alle Messpunkte im Analysefenster durchgeführt wird.
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Der entsprechende Ventilaufschlagzeitpunkt sowie das Schwerkraftzentrum der Wellenformen im Analysefenster sind in 7 dargestellt. Tatsächlich fällt das Schwerkraftzentrum nicht mit dem Ventilaufschlagzeitpunkt zusammen und ist leicht verzögert. In den nächsten Abschnitten wird diese Verzögerung in Form von Korrekturausdrücken in Gl. 1 berechnet.
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Die Verzögerung des Schwerkraftzentrums zum Aufschlagzeitpunkt wird wie folgt ermittelt.
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Das Schwerkraftzentrum ist eine gute Invariante zur Widerspiegelung des Zeitpunkts der Energieemission. Der physikalische Aufschlag eines Ventils auf seinen Ventilsitz tritt tatsächlich bereits zu einem früheren Zeitpunkt auf. Genauer gesagt kann diese Verzögerung, tdelay, eine kalibrierbare Konstante, wie folgt ausgedrückt werden: tdelay = Konst. (Gleichung 3)
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Die Verzögerung tdelay liegt im Bereich von 0,1 bis 0,3 ms und hängt auch von der verwendeten Trapezoid-Fensterfunktion ab.
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Die Ausbreitungszeit des Signals ermittelt sich wie folgt.
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Das Schallsignal verbreitet sich mit der Schallgeschwindigkeit cmedia in einem Medium, die Ausbreitungszeit kann dabei wie folgt ermittelt werden: tpropagation = s/cmedia (Gleichung 4) wobei s die Entfernung zwischen dem Schwingungssensor und dem Ort des Aufschlags darstellt, und cmedia die Schallgeschwindigkeit in dem Medium darstellt, durch das sich das Schwingungssignal ausbreitet. Im Fall von Aluminium beträgt cmedia 6420 m/s und s 0,5 m, timpact = 0,08 ms.
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Die Verzögerung durch Filterung ist wie folgt:
Sowohl das Hardware- als auch das Softwarefilter verzögern das ursprüngliche Signal im Zeitbereich. Ein digitales Hochpassfilter mit folgenden Merkmalen
- • Filtertyp: IIR;
- • Ordnung: 4;
- • Design-Verfahren: Chebyshev Typ II;
weist eine maximale Gruppenverzögerung von ungefähr 10 Abtastungen und eine Phasenverzögerung von ungefähr 8 Abtastungen auf. Bei einem Signal mit einer Abtastzeit von 0,005 ms betragen die Verzögerungen jeweils 0,05 ms und 0,02 ms.
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Die hier beschriebene systematische Idee/Strategie zur Erfassung des Ventilaufsetzzeitpunkts/-zustands beinhaltet folgende wesentliche Bestandteile:
- 1. Signalerfassung: ein bestehender Klopfsensor wird zur Erfassung eines Schwingungs-/Schall-/Ultraschallsignals verwendet;
- 2. Signalfilterung: das Signal wird mit einem Band-/Hochpassfilter gefiltert oder mit einem Filter nach dem Wavelet-Verfahren, das auf der natürlichen Frequenz und ihrer Oberschwingungen aus dem Aufschlag basiert.
- 3. Fensterbearbeitung des Signals: zur optimalen Verringerung der Störungen/Überlagerungen des Signals ist ein trapezförmiges Fenster mit folgenden Merkmalen vorgesehen:
- a. Auslösen des Starts eines Fensters (links) durch ein Steuersignal;
- b. Festlegung der Fenstergröße (Fenster rechtes Ende) gemäß dem Zeitpunkt, zu dem die Schall-/Schwingungsenergie aus dem Aufschlag abklingt;
- c. Beschneiden/Abschneiden des unteren Signalteils zur weiteren Reduzierung der Störung und um zu bewirken, dass die Erfassung des Aufschlags weniger von der Festlegung des Fensterorts sowie der Fenstergröße abhängig ist;
- d. Bearbeitung des Signals mit trapezförmiger Fensterung, um so eine Korrektur- bzw. Ausgleichswirkung zu erzielen.
- 4. Bestimmung des Ventil-Aufsetzzeitpunkts: der Zeitpunkt wird durch das Schwerkraftzentrum oder dem Zentroid der Wellenformen innerhalb des Analysefensters mit kalibrierbaren Korrekturen abgeschätzt.
- 5. Bestimmung des Ventil-Aufsetzzustands: der Zustand wird durch die Intensität der Wellenform über einem Grenzbereich innerhalb des Analysefensters erhalten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wellenform
- 2
- Zeitpunkt
- 3
- Welle
- 4
- Ventilhub
- 5
- Hub
- 6
- Beschleunigungssignal
- 7
- Fenster
- 8
- Timing
- 9
- Kurbelwellenwinkel
- 10
- Hub
- 11
- Schritt
- 12
- Schritt
- 13
- Schritt
- 14
- Schritt
- 15
- Schritt
- 16
- Schritt
- 17
- Schritt
- 18
- Schritt
- 19
- Schritt
- 20
- Signal
- 21
- Originalsignal
- 22
- MV Hub
- 23
- Zeitpunkt
- 24
- Zustand
- 25
- bearbeitetes Signal
- 26
- bearbeitetes und rekonstruiertes Signal
- 27
- Signal
- 28
- Signal
- 29
- Signal
- 30
- Signal
- 31
- Schwellenwert
- 32
- Trapezfenster
- 33
- Fensterbeginn
- 34
- Trapezfenster
- 35
- Trimming line
- 36
- Fensterende
- 37
- Zeitpunkt
- 38
- Schwerpunkt des Signals
