DE19518411A1

DE19518411A1 - Verbrennungsaussetzererkennungsverfahren

Info

Publication number: DE19518411A1
Application number: DE19518411A
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl Ing Mezger; Asmus Dipl Ing Volkart; Klaus Dipl Ing Ries-Mueller; Rainer Frank; Sigrid Dipl Ing Hafner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1995-05-19
Filing date: 1995-05-19
Publication date: 1996-11-21
Also published as: ITMI960905A1; ITMI960905A0; JPH08312445A; IT1282569B1; FR2734326B1; KR960041689A; CN1136133A; FR2734326A1; US5726352A

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung von Ver brennungsaussetzern bei Verbrennungsmotoren, wie sie für den Antrieb von Kraftfahrzeugen eingesetzt werden.

Verbrennungsaussetzer führen zu einem Anstieg der im Betrieb des Verbrennungsmotors emittierten Schadstoffe und können darüberhinaus zu einer Schädigung eines Katalysators im Ab gastrakt des Motors führen. Zur Erfüllung gesetzgeberischer Forderungen zur On board-Überwachung abgasrelevanter Funk tionen ist eine Erkennung von Verbrennungsaussetzern im ge samten Drehzahl- und Lastbereich notwendig. In diesem Zusam menhang ist es bekannt, daß beim Betrieb mit Verbrennungs aussetzern charakteristische Änderungen des Drehzahlverlaufs des Verbrennungsmotors gegenüber dem Normalbetrieb ohne Aus setzer auftreten. Durch den Vergleich dieser Drehzahlverläu fe kann zwischen Normalbetrieb ohne Aussetzer und Betrieb mit Aussetzern unterschieden werden.

Ein auf dieser Basis arbeitendes Verfahren ist bereits aus der DE-OS 41 38 765 bekannt.

Nach diesem bekannten Verfahren ist jedem Zylinder ein als Segment bezeichneter Kurbelwellenwinkelbereich zugeordnet. Die Segmentzeit, in der die Kurbelwelle diesen Winkelbereich überstreicht, hängt unter anderem von der im Verbrennungs takt umgesetzten Energie ab. Aussetzer führen zu einem An stieg der zündungssynchron erfaßten Segmentzeiten. Nach dem bekannten Verfahren wird aus Differenzen von Segmentzeiten ein Maß für die Laufunruhe des Motors berechnet, wobei zu sätzlich langsame dynamische Vorgänge, zum Beispiel der An stieg der Motordrehzahl bei einer Fahrzeugbeschleunigung, rechnerisch kompensiert werden. Ein auf diese Weise für jede Zündung berechneter Laufunruhewert wird ebenfalls zündungs synchron mit einem vorbestimmten Schwellwert verglichen. Ein Überschreiten dieses gegebenenfalls von Betriebsparametern wie Last und Drehzahl abhängigen Schwellwerts wird als Aus setzer gewertet.

Die Sicherheit, mit der Aussetzer nach diesem Verfahren er kannt werden können, sinkt naturgemäß um so weiter ab, je weniger sich einzelne Aussetzer auf die Drehzahl der Kurbel welle auswirken. Sie sinkt daher mit steigender Zahl der Zylinder der Brennkraftmaschine und mit zunehmender Drehzahl sowie abnehmender Last ab.

Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren anzugeben, das die Sicherheit der Aus setzererkennung bei Brennkraftmaschinen mit hoher Zylinder zahl auch bei hohen Drehzahlen und geringen Lasten weiter verbessert.

Diese Aufgabe wird mit der Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst.

Wesentliche Elemente der angegebenen Lösung liegen zum einen in der Verwendung einer Vektorgröße als Laufunruhetestgröße. Das heißt: Statt des Vergleichs von zwei Werten findet ein Vergleich von zwei oder mehreren mehrdimensionalen Vektoren statt, wobei ein Vektor jeweils für jede Zündung aus aktuell gemessenen Segmentzeiten gebildet wird. Dieser Vektor wird mit wenigstens einem Referenzvektor verglichen, der bspw. für Aussetzer- oder Normalbetrieb charakteristisch ist. Die Referenzvektoren werden beispielsweise empirisch für indivi duelle Betriebspunkte ermittelt und in Kennfeldern abgelegt. Damit wird der bekannte eindimensionale Vergleich einer Laufunruhetestgröße mit einem Schwellwert auf einen mehr dimensionalen Vergleich aufgeweitet. Diese Erweiterung auf mehrere Dimensionen vergrößert die Sicherheit der Aussetzer kennung in kritischen Last/Drehzahlbereichen allerdings nur dann, wenn der Referenzvektor jeweils gut an den aktuellen, durch Last und Drehzahl definierten Betriebspunkt angepaßt ist. Um eine Vielzahl von Referenzvektoren für alle auch bei positiven und negativen Beschleunigungen auftretenden Last/Drehzahl-Paarungen zu vermeiden, wird die vektorielle Bildung der Laufunruhetestgröße mit einer Dynamikkompen sation der einzelnen Vektorelemente kombiniert. Das heißt: Lang same dynamische Vorgänge, zum Beispiel der Anstieg der Mo tordrehzahl bei einer Fahrzeugbeschleunigung, werden rechnerisch bei der Bildung der einzelnen Elemente des Laufunruhevektors kompensiert. Dadurch ist es möglich, mit einer überschaubaren Zahl von Referenzvektoren, die jeweils für stationäre Bedingungen gebildet wurden, auch eine Aus setzererkennung in instationären Betriebszuständen durchzu führen. Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

Im einzelnen zeigt Fig. 1 das technische Umfeld der Erfin dung. Fig. 2 stellt einen zur Durchführung des erfindungsge mäßen Verfahrens geeigneten Rechner dar. Fig. 3 verdeut licht das bekannte Prinzip der Bildung von Segmentzeiten als Basis eines Maßes für die Laufunruhe auf der Basis von Dreh zahlmessungen. Fig. 4 stellt den Einfluß einer Beschleuni gung auf die Messung von Segmentzeiten dar. Fig. 5 offenbart ein Flußdiagramm als Ausführungsbeispiel des erfindungsgemä ßen Verfahrens und Fig. 6 veranschaulicht den erfindungsge mäßen Vergleich vektorieller Größen zur Aussetzererkennung. Fig. 7 veranschaulicht ein Ensemble von betriebspunktindivi duellen Referenzvektoren durch ein 4×4-Kennfeld über Last und Drehzahl des Verbrennungsmotors.

Fig. 1 zeigt eine Brennkraftmaschine 1 mit einem Winkelge berrad 2, das Markierungen 3 trägt, sowie einen Winkelsensor 4 und ein Steuergerät 5. Die Drehbewegung des mit der Kur belwelle der Brennkraftmaschine gekoppelten Winkelgeberrades wird mit Hilfe des als Induktivsensor realisierten Winkel sensors 4 in ein elektrisches Signal umgewandelt, dessen Periodizität ein Abbild des periodischen Vorbeistreichens der Markierungen 3 am Winkelsensor 4 darstellt. Die Zeit dauer zwischen einem Anstieg und einem Abfall des Signalpe gels entspricht daher der Zeit, in der sich die Kurbelwelle über einen dem Ausmaß einer Markierung entsprechenden Win kelbereich weitergedreht hat. Diese Zeitdauern werden in dem als Rechner realisierten Steuergerät 5 zu einem Maß LUT für die Laufunruhe der Brennkraftmaschine weiterverarbeitet. Beispiele von LUT-Berechnungen werden weiter hinten vorge stellt. Der dazu verwendete Rechner kann bspw. so aufgebaut sein, wie in Fig. 2 dargestellt. Danach vermittelt eine Recheneinheit 2.1 zwischen einem Eingabeblock 2.2 und einem Ausgabeblock 2.3 unter Verwendung von in einem Speicher 2.4 abgelegten Programmen und Daten.

Die Fig. 3a zeigt beispielhaft eine Einteilung des Winkel geberrades in vier Segmente, wobei jedes Segment eine vorbe stimmte Zahl von Markierungen aufweist. Die Markierung OTk ist demjenigen oberen Totpunkt der Kolbenbewegung des k-ten Zylinders eines in diesem Beispiel achtzylindrigen Verbren nungsmotors zugeordnet, der im Verbrennungstakt dieses Zylinders liegt. Um diesen Punkt herum ist ein Drehwinkelbe reich ϕk definiert, der sich in diesem Beispiel über ein Viertel der Markierungen des Winkelgeberrades erstreckt. Analog sind den Verbrennungstakten der übrigen Zylinder Win kelbereiche ϕ1 bis ϕ8 zugeordnet, wobei hier vom Viertakt prinzip ausgegangen wird, bei dem sich die Kurbelwelle für einen vollständigen Arbeitszyklus zweimal dreht. Daher ent spricht beispielsweise der Bereich ϕ1 des ersten Zylinders dem Bereich ϕ5 des fünften Zylinders usw. Die zu einer Kur belwellenumdrehung zugehörigen Winkelbereiche können vonein ander getrennt sein, sich aneinander anschließen oder auch überlappen. Im ersten Fall gibt es Markierungen, die keinem Winkelbereich zugeordnet sind, im zweiten Fall gehört jede Markierung zu genau einem Winkelbereich und im dritten Fall können jeweils dieselben Markierungen verschiedenen Winkel bereichen zugeordnet sein. Beliebige Lagen und Längen der Winkelbereiche sind somit denkbar.

In der Fig. 3b sind die Zeiten ts aufgetragen, in denen die Winkelbereiche durch die Drehbewegung der Kurbelwelle über strichen werden. Dabei ist ein Aussetzer im Zylinder k ange nommen. Der mit dem Aussetzer verbundene Drehmomentausfall führt zu einem Anstieg der zugehörigen Zeitspanne ts. Die Zeitspannen ts stellen damit bereits ein Maß für die Laufun ruhe dar, das prinzipiell zur Erkennung von Aussetzern ge eignet ist. Durch eine geeignete Verarbeitung der Zeitspan nen ts, insbesondere durch die Bildung von Differenzen be nachbarter Zeitspannen und Normieren dieser Differenzen auf die dritte Potenz der Zeitspanne ts(i) zu einem Zündtakt mit Index i erhält der Laufunruhewert die Dimension einer Be schleunigung und weist, wie sich empirisch gezeigt hat, ein verbessertes Signal/Rausch-Verhältnis auf.

Fig. 4 verdeutlicht den Einfluß von Drehzahländerungen auf die Erfassung der Zeitdauern ts. Dargestellt ist der Fall einer Drehzahlabnahme, wie sie typischerweise im Schiebebe trieb eines Kraftfahrzeuges auftritt. Zur Kompensation die ses Effektes, der sich in einer verhältnismäßig gleichförmi gen Verlängerung der erfaßten Zeiten ts äußert, ist es bei spielsweise bekannt, einen Korrekturterm K zu bilden und so bei der Berechnung des Laufunruhewertes zu berücksichtigen, daß der Verlängerungseffekt kompensiert wird.

Fig. 5 stellt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens dar. Nach Erfassung von Segmentzeiten ts(i) im Schritt S1 werden im Schritt S2 Laufunruhewerte Lut(i) als Funktion der erfaßten Segmentzeiten gebildet. Dabei bezeich net der Index i einen bestimmten Zündtakt, so daß die Laufunruhewerte zündungssynchron aktualisiert werden. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden diese einzel nen Laufunruhewerte als Elemente eines Laufunruhevektors (i) betrachtet. Aus aufeinanderfolgenden Laufunruhewerten Lut(i), Lut(i+1), . . . wird im Schritt S3 ein Laufunruhevek tor (i) gebildet, der in dem auf einen Achtzylindermotor bezogenen Ausführungsbeispiel für einen Zündtakt mit Index i folgende Gestalt besitzt:

Mit anderen Worten: Hier wird für einen z-zylindrigen Motor ein z-dimensionaler Vektor gebildet, wobei jeweils die Laufunruhewerte berücksichtigt wurden, die während eines Ar beitsspiels bzw. einer Nockenwellenumdrehung gebildet wurden. Mit dem zum Zeitpunkt des Zündtaktes i aktuellen Werten von Betriebsparametern, beispielsweise Last und Drehzahl wird im Schritt S4 ein Kennfeld adressiert, in dem betriebspunktin dividuelle Referenzvektoren abgelegt sind. Denkbar wäre z. B. ein Vier-mal-Vier-Kennfeld über Last und Drehzahl, in dem Referenzvektoren

abgelegt sind, die für aussetzerfreien Normalbetrieb charakteristisch sind. Ein solches Kennfeld ist in der Fig. 7 dargestellt.

Anschließend dient ein Schritt S5 zur Ermittlung eines Ab standsmaßes zwischen den aktuellen Laufunruhevektoren und den Referenzvektoren . Dies kann beispielsweise der euklidische Abstand Ae sein.

Alternativ ist auch die Verwendung beliebiger anderer Ab standsmaße denkbar. Überschreitet der Abstand Ae in einem Schritt S6 einen vorbestimmten Schwellwert SA so wird dies als Auftreten eines Aussetzers gewertet und beispielsweise im Schritt S7 ein Fehlerzähler inkrementiert, z. B. wird eine Variable F hochgezählt. Überschreitet die Fehlerzahl F oder die Häufigkeit gleich Fehlerzahl pro Zeiteinheit, mit dem Aussetzer auftreten, einen vorbestimmten Wert FS, was durch Schritt S8 überprüft wird, kann dies beispielsweise dem Fah rer des Kraftfahrzeuges durch Einschalten einer Fehlerlampe im Schritt S9 angezeigt werden.

Die Berechnung eines einzelnen Laufunruhewertes Lut(i) für einen Zündtakt mit Index i im Schritt S2, bei der eine Kompensation von langsamen dynamischen Effekten erfolgt, kann bspw. auf die folgende Weise durchgeführt werden.

Verallgemeinert auf z Zylinder lautet die entsprechende Vor schrift:

mit (z) = Zahl der Zylinder der Brennkraftmaschine.

Die Bildung des Laufunruhevektors (i) in Schritt S3 kann dadurch erfolgen, das aufeinanderfolgende Laufunruhehewerte zu Zündtakten mit Indices i, i+1, i+2, . . . als Elemente eines Laufunruhevektors (i) betrachtet. Das heißt: Aus einzelnen Vektorelementen Lut(i) wird erfindungsgemäß in dem auf einen Achtzylindermotor bezogenen Ausführungsbeispiel für einen Zündtakt mit Index i ein Vektor

gebildet.

Verallgemeinert auf z Zylinder:

Eine Alternative zu dieser Vektorbildung besteht darin, die Segmente ts(i) direkt als Maß für die Laufunruhe zu betrach ten und den Laufunruhevektor auf die folgende Weise zu bil den:

Es ist auch möglich, den Laufunruhevektor aus Differenzen von Segmentzeiten zu bestimmen:

Weiterhin ist es möglich den Laufunruhevektor bspw. auf die folgende Weise als Differenz eines Basisvektors und eines Dynamikkorrekturvektors darzustellen:

und (z) = Zahl der Zylinder der Brennkraftmaschine und (p) = Festwert.

In den beiden vorhergehenden Ausführungsbeispielen können auch jeweils anstelle der Differenzen ts(i+j) - ts(i+j-1) mit j = 1, 2, . . ., z die auf ts(i) normierten Zeiten (ts(i+j))/(ts(i)) benutzt werden.

Zur Bildung eines Abstandsmaßes zwischen den aktuellen Laufunruhevektoren und den Referenzvektoren im Schritt S5 kann beispielsweise der euklidische Abstand Ae verwendet werden.

Der Wert Ae ist zusammen mit einem Laufunruhevektor und einem Referenzvektor in Fig. 6 veranschaulicht. Als Al ternative zu den in der Fig. dargestellten Schritten S4, S5 und S6 kann auch für jeweils einen Lastdrehzahlbereich ein Referenzvektor vorbestimmt sein, der für Betrieb mit Aussetzern charakteristisch ist. In diesem Fall wird ein Aussetzer dann erkannt, wenn der Abstand zwischen dem für einen Zündtakt (i) gebildeten Vektor von (i) und dem zugehörigen Referenzvektor einen vorbestimmten Schwell wert unterschreitet.

Als weitere Alternative kommt ein Vergleich mit zwei Referenzvektoren in Frage. Diese Alternative zeich net sich dadurch aus, daß für jeweils einen Lastdrehzahlbe reich wenigstens zwei Referenzvektoren und vorbe stimmt sind, wobei für aussetzerfreien Normalbetrieb und für Betriebe mit Aussetzern vorbestimmt ist und daß ein Aussetzer dann erkannt wird, wenn der Abstand zu dem für ei nen Zündtakt (i) gebildeten Vektor von (i) und dem Vek tor größer ist als der Abstand zu dem Vektor .

Claims

1. Verfahren zur Erkennung von Verbrennungsaussetzern bei einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine mit folgenden Schritten:

- Erfassen der Zeitspanne ts(i), in der die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine einen vorbestimmten Drehwinkelbereich (ϕ) überstreicht für jeden Zündtakt (i) der Brennkraftmaschine,
- Berechnen eines Maßes Lut(i) für die Laufunruhe der Brenn kraftmaschine ausgehend von wenigstens einer erfaßten Zeit ts(i) für jeden Zündtakt (i) der Brennkraftmaschine,
- Bilden einer Vektorgröße (i) aus wenigstens zwei Maßen Lut(i), Lut(j), mit den wenigstens zwei Maßen als Vektorele menten für jeden Zündtakt (i),
- Berechnen des Abstandes zwischen dem Vektor (i) und wenigstens einem vorbestimmten Referenzvektor und/oder ,
- Erkennen eines Verbrennungsaussetzers dann, wenn der Ab stand zwischen beiden Vektoren eine vorbestimmte Bedingung erfüllt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Berechnung eines einzelnen Vektorelementes (Lut) von (i) eine Korrekturgröße (K) für den Einfluß von Änderungen der mittleren Drehzahl der Brennkraftmaschine zur Kompen sation dieses Einflusses auf die erfaßten Zeiten ts(i) ge bildet und bei der Berechnung eines einzelnen Vektorelemen tes berücksichtigt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für verschiedene Last/Drehzahlbereiche der Brennkraftma schine verschiedene Referenzvektoren verwendet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß für jeweils einen Lastdrehzahlbereich ein Referenzvektor vorbestimmt ist, der für aussetzerfreien Normalbetrieb charakteristisch ist und daß ein Aussetzer dann erkannt wird, wenn der Abstand zwischen dem für einen Zündtakt (i) gebildeten Vektor (i) und dem zugehörigen Referenzvektor einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß für jeweils einen Lastdrehzahlbereich ein Referenzvektor vorbestimmt ist, der für Betrieb mit Aussetzern charak teristisch ist und daß ein Aussetzer dann erkannt wird, wenn der Abstand zwischen dem für einen Zündtakt (i) gebildeten Vektor (i) und dem zugehörigen Referenzvektor einen vorbestimmten Schwellwert unterschreitet.

6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß für jeweils einen Lastdrehzahlbereich wenigstens zwei Referenzvektoren und vorbestimmt sind, wobei für aussetzerfreien Normalbetrieb und für Betrieb mit Aus setzern vorbestimmt ist und daß ein Aussetzer dann erkannt wird, wenn der Abstand zu dem für einen Zündtakt (i) gebil deten Vektor von (i) und dem Vektor größer ist als der Abstand zu dem Vektor .

7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Berechnung eines einzelnen Vektorelementes (Lut) von (i) die Korrekturgröße (K) von einem Basisterm (B) subtrahiert wird, wobei (B) und (K) jeweils aus einzelnen zugeordneten Zeiten ts(i-j), . . ., ts(i), . . ., ts(i+j) gebildet werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß (Lut) von (i) als mit (z) = Zahl der Zylinder der Brennkraftmaschine.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vektor (Lut) von (i) als mit (z) = Zahl der Zylinder der Brennkraftmaschine gebildet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erfaßten Zeiten ts(i) direkt das Maß für die Laufunruhe liefern und daß der Vektor (Lut) von (i) als mit (z) = Zahl der Zylinder der Brennkraftmaschine gebildet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Maß Lut für die Laufunruhe Differenzen von Zeiten ts(i) gebildet werden und daß der Vektor (i) als mit (z) = Zahl der Zylinder der Brennkraftmaschine gebildet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Vektor (Lut) von (i) gebildet wird als und (z) = Zahl der Zylinder der Brennkraftmaschine und (p) = Festwert.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der Differenzen ts(i+j) - ts(i+j- 1) mit j = 1, 2, . . ., z die auf ts(i) normierten Zeiten (ts(i+j))/(ts(i)) benutzt werden.

14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehwinkelbereiche eine beliebige Lage und eine belie bige Länge annehmen.