DE19534996A1 - Verfahren zur Verbrennungsaussetzererkennung durch Auswertung von Drehzahlschwankungen - Google Patents
Verfahren zur Verbrennungsaussetzererkennung durch Auswertung von DrehzahlschwankungenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung von Ver
brennungsaussetzern bei Verbrennungsmotoren.
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 wird jedem Zylinder ein als
Segment bezeichneter Kurbelwellenwinkelbereich zugeordnet.
Realisiert werden die Segmente bspw. durch Markierungen auf
einem mit der Kurbelwelle gekoppelten Geberrad. Die
Segmentzeit, in der die Kurbelwelle diesen Winkelbereich
überstreicht, hängt unter anderem von der im
Verbrennungstakt umgesetzten Energie ab. Aussetzer führen zu
einem Anstieg der zündungssynchron erfaßten Segmentzeiten.
Nach dem bekannten Verfahren wird aus Differenzen von
Segmentzeiten ein Maß für die Laufunruhe des Motors
berechnet, wobei zusätzlich langsame dynamische Vorgänge,
zum Beispiel der Anstieg der Motordrehzahl bei einer
Fahrzeugbeschleunigung, rechnerisch kompensiert werden. Ein
auf diese Weise für jede Zündung berechneter Laufunruhewert
wird ebenfalls zündungssynchron mit einem vorbestimmten
Schwellwert verglichen. Ein Überschreiten dieses gegebenen
falls von Betriebsparametern wie Last und Drehzahl abhängigen
Schwellwerts wird als Aussetzer gewertet.
Die Sicherheit, mit der Aussetzer nach diesem Verfahren
erkannt werden können, sinkt naturgemäß um so weiter ab, je
weniger sich einzelne Aussetzer auf die Drehzahl der
Kurbelwelle auswirken. Die Zuverlässigkeit der
Aussetzererkennung 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. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind
Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß sich der
Segmentzeitanstieg infolge eines Aussetzers bei höheren
Drehzahlen nicht mehr auf eine, sondern auf mehrere
Segmentzeiten verteilt.
Ein Element der Erfindung besteht darin, eine einen größeren
Kurbelwellenwinkel umfassende Auswertung vorzunehmen. Dies
geschieht bspw. durch Einbeziehung weiterer Segmentzeiten
vor und nach einem möglichen Aussetzer. Für die Berechnung
einer Laufunruhegröße unter Einbeziehung weiterer
Segmentzeiten haben sich verschiedene
Berechnungsvorschriften als vorteilhaft herausgestellt.
Gemeinsam ist diesen Vorschriften, daß sie in der
Signalverarbeitungs- und Merkmalsextraktionsstufe mittels
eines digitalen Filters und vorbestimmter
Filterkoeffizienten durch diskrete Faltung dargestellt
werden können.
Ohne Dynamikkorrekturen lassen sich diese verschiedenen
Vorschriften durch die folgende Formel ausdrücken
mit b(n) als Filterkoeffizienten,
Ma, Me als Filteranfang und -ende,
M=Ma-Me+1 als Filterlänge und * als Faltungsoperator.
Ma, Me als Filteranfang und -ende,
M=Ma-Me+1 als Filterlänge und * als Faltungsoperator.
Die Multiplikation mit dem Kehrwert von ts(n)³ als
Proportionalitätsfaktor dient der Eliminierung der
Drehzahlabhängigkeit.
Anstelle der Segmentzeiten können auch den Segmenten
zugeordnete Geschwindigkeiten ω verwendet werden:
Es ist ein wesentliches Merkmal der Erfindung, daß die
Verfahren zur Aussetzererkennung um Verfahren zur
Dynamikkompensation ergänzt werden können. Das Ziel besteht
darin, den Einfluß von aussetzerähnlichen Drehzahländerungen
zu eliminieren.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in der folgenden
Beschreibung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
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 zeigt eine Funktionsblockdarstellung
eines Digitalfilters mit begrenzter Impulsantwort als
Ausführungsbeispiel der Erfindung und Fig. 5 veranschaulicht
die Wirkung der Erfindung anhand von Signalverläufen über
der Zeit.
Fig. 1 zeigt eine Brennkraftmaschine 1 mit einem Winkelge
berrad 2, das Markierungen 3 trägt, einem Winkelsensor 4,
einem Block 5, der der Signalverarbeitung und
Merkmalsextraktion dient, sowie einem Block 6, der der
Erkennung von Verbrennungsaussetzern durch Auswertung der
Merkmalssignale auf der Basis von Schwellwertvergleichen,
neuronalen Netzen, unscharfen Klassifikatoren oder auch
anderen bekannten Mitteln und/oder Verfahren dient. Den
Blöcken 5 und 6 werden ggf. Betriebsparameter der
Brennkraftmaschine wie Last und Drehzahl zugeführt. Werden
Verbrennungsaussetzer festgestellt, kann bspw. eine mit 7
bezeichnete Warnlampe eingeschaltet werden.
Der Kern der Erfindung betrifft den Block 5, d. h. die
Signalverarbeitung und Merkmalsextraktion bzw. die Gewinnung
des Signals q(n) in Fig. 1. Die Funktionsblöcke 5 und 6
werden bevorzugt durch Programmierung eines Rechners 8
realisiert, dessen Grundfunktion in Fig. 2 dargestellt ist.
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 Drehbewegung des mit der Kurbelwelle der
Brennkraftmaschine gekoppelten Winkelgeberrades wird mit
Hilfe des als Induktivsensor realisierten Winkelsensors 4 in
ein elektrisches Signal umgewandelt, dessen Periodizität ein
Abbild des periodischen Vorbeistreichens der Markierungen 3
am Winkelsensor 4 darstellt. Die Zeitdauer zwischen einem
Anstieg und einem Abfall des Signalpegels entspricht daher
der Zeit, in der sich die Kurbelwelle über einen dem Ausmaß
einer Markierung entsprechenden Winkelbereich weitergedreht
hat.
Diese Zeitdauern werden in dem als Rechner realisierten
Steuergerät 8 zu einem Maß q(n) für die Laufunruhe der
Brennkraftmaschine weiterverarbeitet.
Die Fig. 3a zeigt eine Einteilung des Winkelgeberrades in
vier Segmente, wobei jedes Segment eine vorbestimmte Zahl
von Markierungen aufweist. Die Markierung OTk ist demjenigen
oberen Totpunkt der Kolbenbewegung des k-ten Zylinders eines
in diesem Beispiel achtzylindrigen Verbrennungsmotors zuge
ordnet, der im Verbrennungstakt dieses Zylinders liegt. Um
diesen Punkt herum ist ein Drehwinkelbereich ϕk definiert,
der sich in diesem Beispiel über ein Viertel der Markierun
gen des Winkelgeberrades erstreckt. Analog sind den Verbren
nungstakten der übrigen Zylinder Winkelbereiche ϕ1 bis ϕ8
zugeordnet, wobei hier vom Viertaktprinzip ausgegangen wird,
bei dem sich die Kurbelwelle für einen vollständigen Ar
beitszyklus zweimal dreht. Daher entspricht beispielsweise
der Bereich ϕ1 des ersten Zylinders dem Bereich ϕ5 des fünf
ten Zylinders usw. Die zu einer Kurbelwellenumdrehung zuge
hörigen Winkelbereiche können voneinander getrennt sein,
sich aneinander anschließen oder auch überlappen. Im ersten
Fall gibt es Markierungen, die keinem Winkelbereich zugeord
net sind, im zweiten Fall gehört jede Markierung zu genau
einem Winkelbereich und im dritten Fall können jeweils die
selben Markierungen verschiedenen Winkelbereichen zugeordnet
sein. Beliebige Längen und Lagen der Winkelbereiche sind so
mit möglich.
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
ts(n+1)-ts(n)
benachbarter 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
Beschleunigung und weist, wie sich empirisch gezeigt hat,
ein verbessertes Signal/Rausch-Verhältnis auf.
Fig. 3c 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 additiven Korrekturterm D zur
Dynamikkompensation zu bilden und so bei der Berechnung des
Laufunruhewertes zu berücksichtigen, daß der
Verlängerungseffekt kompensiert wird.
Alle nachfolgenden Beispiele beziehen sich auf einen
12-Zylinder-Motor, können aber auf Verbrennungsmotoren mit
anderer Zylinderzahl umgestellt werden. Ein bekannter
Merkmalswert für einen 12-Zylinder-Motor berechnet sich unter
Hinzunahme einer Eliminierung der Drehzahlabhängigkeit durch
Division mit ts(n)³ und Dynamikkompensation zu
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird durch das in Fig.
4 dargestellte Digitalfilter realisiert.
In der oberen Reihe der Fig. 4 sind 12 Speicherzellen
dargestellt, in die zeitdiskret aufeinanderfolgende Werte
von Segmentzeiten ts eingeschrieben werden. Bei jeder von
links erfolgenden Eingabe einer Segmentzeit ts werden die
Inhalte der rechten Speicherzellen durch den Inhalt ihrer
linksseitig benachbarten Speicherzellen überschrieben. Nach
dem zeitdiskreten Erneuern der Speicherinhalte wird der
Inhalt jeder Speicherzelle 1 bis 12 in der mittleren Reihe
der Fig. 4 multiplikativ mit einem Filterkoeffizient b1 bis
b12 verknüpft, wobei jeweils ein Filterkoeffizient mit Index
i einer Speicherzelle mit Index i zugeordnet ist. Die
Ergebnisse dieser Verknüpfungen werden in der unteren Reihe
zu dem Laufunruhemerkmalswert q(n) aufsummiert. Mit anderen
Worten: Jede Segmentzeit wird gewissermaßen durch die
Anordnung von links nach rechts durchgeschoben und
zeitdiskret mit verschiedenen Filterkoeffizienten gewichtet.
Die dargestellte Filterung entspricht einem Digitalfilter
mit begrenzter Impulsantwort.
Der Zahl 12 als Anzahl der Speicherzellen liegt die Annahme
eines 12-Zylinder-Motors und einer Filterung über eine
Nockenwellenumdrehung zugrunde. Sinnvoll erscheint eine
Filterung über einen Bereich von bis zu auch ca. zwei
Nockenwellenumdrehungen.
Das Ergebnis dieses digitalen Filterns für den Fall einer
Korrelation des aussetzertypischen Anstiegs im
Segmentzeitsignal mit einer Sinusfunktion über eine
komplette Nockenwellenumdrehung ist in Fig. 5 dargestellt.
Die Größe Laufunruhemerkmalsignal q ergibt sich dabei durch
Dabei zeigt Fig. 5a die Abfolge der ungefilterten
Segmentzeiten ts, Fig. 5b stellt die Filterkoeffizienten dar
und Fig. 5c offenbart den zeitlichen Verlauf der
Laufunruhemerkmalsgröße qn als Ergebnis der zeit- und
wertdiskreten Verknüpfung der Segmentzeiten mit den
Filterkoeffizienten. Das verbesserte Signal/Rausch-
Verhältnis der q(n)-Werte im Vergleich zu den ungefilterten
Segmentzeiten ist offensichtlich.
Eine weitere Möglichkeit besteht in der Korrelation des
aussetzertypischen Anstiegs im Segmentzeitsignal mit einer
Sprungfunktion:
Eine als Segmentzeitkrümmung bezeichnete Bildungsvorschrift
ermittelt die Abweichung der Segmentzeiten von einer
Geraden, die durch zwei entfernt liegende Segmentzeitpunkte
gelegt wird:
Ein weiteres Ausführungsbeispiel entsteht
durch Differenzbildung zwischen 2 unterschiedlich schnellen
Filterausgängen. Ein Beispiel ist die Differenz zwischen
einer Filterung über 360° und 720° Kurbelwellenwinkel:
Bei der Differenz verschieden schneller Filter bewirkt das
langsame Filter die Dynamikkompensation. Neben der bereits
dargestellten Form ist auch die folgende Form möglich:
Als weitere Alternative kommt eine komplexe
Exponentialfunktion in Frage. Das Ergebnis ist komplex. Die
neben dem Betrag vorliegende Phaseninformation erleichtert
die Zylinderidentifikation.
Weitere Ausführungsbeispiele werten den Anstieg über vorher
gemittelte Segmentzeiten aus. Die Mittelung kann über eine
Kurbelwellenumdrehung erfolgen. Dann ergibt sich q₂(n). Bei
Mittelung über eine Nockenwellenumdrehung erhält man
Zusätzlich kann die Aussage dieser Merkmale durch die Höhe
des Segmentzeitabfalls ergänzt werden. Dabei kann der
Anstieg und der Abfall innerhalb einer Kurbelwellenumdrehung
gemittelter Segmentzeiten berücksichtigt werden:
Alternativ kann auch der Anstieg und Abfall innerhalb einer
Nockenwellenumdrehung berücksichtigt werden:
Eine einen größeren Kurbelwellenwinkelbereich umfassende
Auswertung gelingt in einem weiteren Ausführungsbeispiel
durch
Eine weitere Glättung ergibt sich durch
Die vorstehend genannten Merkmalsignale q1, q2, q5, q6, q7
und q8 können in weiteren Ausführungsbeispielen der
Erfindung um Maßnahmen zur Dynamikkompensation ergänzt
werden. Deren Ziel besteht darin, den Einfluß von
Drehzahländerungen zu kompensieren, die bspw. durch ein
Absinken oder Ansteigen der mittleren Motordrehzahl im
Fahrbetrieb bei Fahrzeugbeschleunigungen bedingt sind (Fig.
3c).
Bei den Laufunruhemerkmalsgrößen q4a und q4b bewirkt das
langsame Filter die Dynamikkompensation. Die
Segmentzeitkrümmung q3 enthält ebenfalls wie auch q9 und q10
bereits eine Dynamikkompensation.
Die Verfahren zur Dynamikkompensation unterliegen einer
Grobeinteilung. Eine erste Methode wird auf Signale
angewendet, die durch vorangehende Differenzbildung im
Segmentzeitsignal oder im gefilterten Segmentzeitsignal
entstehen.
Geht man von linearen Anstiegen der Segmentzeiten infolge
Beschleunigungen aus, so kann mit
ein Signal zur Drehzahltrendeliminierung abgeleitet werden,
welches abgewandelt in q₉(n) verwendet wird.
Eine zweite Methode wird direkt auf das Segmentzeitsignal
oder das gefilterte Segmentzeitsignal angewendet.
Prinzipiell sind zur Dynamikkompensation alle Signale
geeignet, welche durch Tiefpaßbildung aus dem
Segmentzeitsignal hervorgehen. Ein Beispiel besteht in der
Mittelwertbildung über 12 Segmentzeitwerte:
Weiterhin besteht die Möglichkeit, zur Dynamikkompensation
ein Median-Filter auf das Segmentzeitsignal anzuwenden:
Die Berechnung der Signale zur Dynamikkompensation kann
durch eigene Digitalfilter erfolgen. Für die genannten
Beispiele ergeben sich folgende Filterkoeffizienten:
Trendeliminierung dk₁ (n):
b = 1/12 (1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -1),
Ma = -7, Me = 5
b = 1/12 (1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -1),
Ma = -7, Me = 5
Tiefpaßfilterung dk₂(n):
b = 1/12 (1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1),
Ma = -6, Me = 5.
b = 1/12 (1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1),
Ma = -6, Me = 5.
Der Medianfilter erfordert einen nichtlinearen Algorithmus.
Die Verfahren zur Aussetzererkennung können mit denen der
Dynamikkompensation in einer Filterfunktion zusammengefaßt
werden.
Claims (10)
1. Verfahren zur Erkennung von Verbrennungsaussetzern auf
der Basis des zeitlichen Verlaufs der Drehbewegung eines mit
der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine gekoppelten
Geberrades, bei welchem Verfahren die Segmentzeiten, in
denen vorbestimmte Segmente des Geberrades einen Sensor
passieren oder bei welchem die mittleren Drehzahlen, die den
Segmenten des Geberrades zugeordnet wird, erfaßt und zu
einem Maß für die Laufunruhe der Brennkraftmaschine
verarbeitet werden, aus dessen Verhalten auf Aussetzer
geschlossen wird,
dadurch gekennzeichnet, daß das Maß für die Laufunruhe durch
digitale Filterung von Segmentzeiten mit vorbestimmten
Filterkoeffizienten gebildet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Filterung einen Winkelbereich bis zu vier
Nockenwellenumdrehungen erfaßt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Filterung durch einen Filter mit begrenzter
Impulsantwort erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Filterung entsprechend der folgenden Vorschrift erfolgt:
mit b(n) als Filterkoeffizienten,
Ma, Me als Filteranfang und -ende,
M=MA-Me+1 als Filterlänge und * als Faltungsoperator.
Ma, Me als Filteranfang und -ende,
M=MA-Me+1 als Filterlänge und * als Faltungsoperator.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Filterung entsprechend der folgenden Vorschrift erfolgt:
mit b(n) als Filterkoeffizienten,
Ma, Me als Filteranfang und -ende,
M=MA-Me+1 als Filterlänge und * als Faltungsoperator.
Ma, Me als Filteranfang und -ende,
M=MA-Me+1 als Filterlänge und * als Faltungsoperator.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die so berechneten Größen mit einer Dynamikkompensation
kombiniert werden.
7. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch
Funktionswerte einer komplexen Exponential- oder reellen
Sinusfunktion als Filterkoeffizienten.
8. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch
die Funktionswerte einer Sprungfunktion als
Filterkoeffizienten.
9. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch
Filterkoeffizienten, die ein Maß für die Abweichung der
Segmentzeiten von einer Geraden sind, die durch zwei
entfernt liegende Segmentzeitpunkte gelegt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch
Filterkoeffizienten, die eine Differenzbildung zwischen 2
unterschiedlich schnellen Filterausgängen darstellen.
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