DE19535094A1 - Verfahren zur Verbrennungsaussetzererkennung an einem oder mehreren dauernd aussetzenden Zylindern - Google Patents
Verfahren zur Verbrennungsaussetzererkennung an einem oder mehreren dauernd aussetzenden ZylindernInfo
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Description
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 Erkennungssystem für Verbrennungsaussetzer besteht aus
den Funktionsblöcken Sensorik, Signalverarbeitung und
Merkmalsextraktion sowie Klassifikation (Fig. 1). Die
Sensorik erfaßt bspw. Segmentzeiten, d. h. Zeiten in denen
die Kurbelwelle einen vorbestimmten Drehwinkelbereich
überstreicht. Im Block Merkmalextraktion werden aus den
Segmentzeiten Merkmalsignale gebildet, aus denen im
nachfolgenden Klassifikationsblock Verbrennungsaussetzer
bspw. durch Schwellwertvergleiche oder auch durch Anwendung
neuronaler Netze oder anderer bekannter Methoden erkannt
werden.
Ein auf der Basis von Schwellwertvergleichen arbeitendes
System ist bereits aus der DE-OS 41 38 765 bekannt.
Nach diesem bekannten Verfahren werden die Segmente bspw.
durch Markierungen auf einem mit der Kurbelwelle gekoppelten
Geberrad realisiert. 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 ei
ner Fahrzeugbeschleunigung, rechnerisch kompensiert werden.
Ein auf diese Weise für jede Zündung berechneter Laufunruhe
wert 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. Dieses
Verfahren basiert damit letztlich auf der Merkmalextraktion
im Zeitbereich.
Aus der US 5 200 899 und der US 5 239 473 sind weitere
Verfahren bekannt, die zur Merkmalextraktion die
Transformation von Drehzahlsignalen in den Frequenzbereich
mittels diskreter Fouriertransformationen nutzen. Die
Darstellung der Ergebnisse läßt eine blockweise Anwendung
der Transformation auf die Drehzahlsignale erkennen, wobei
ein Block bspw. aus m während einer Nockenwellenumdrehung
ermittelten Drehzahlsignalen gebildet werden könnte. Damit
werden jedoch Einzelaussetzer nicht optimal aufgelöst. Führt
man dagegen die Transformation gleitend durch, d. h.
verschiebt man den Auswerteblock aus m Drehzahlsignalen
jeweils um weniger als eine Nockenwellenumdrehung, so
ergeben sich Nachteile in der Erkennung von Daueraussetzern.
Diese Verfahren stellen die Ergebnisse einer offensichtlich
blockweisen Analyse im Frequenzbereich dar und gehen nicht
auf die weitere Auswertung der gewonnenen Merkmale ein.
Demgegenüber beinhaltet die Erfindung ein komplettes
Klassifikationssystem für Verbrennungsaussetzer. Es basiert
auf einem Merkmalsignal, welches durch Auswertung von
Drehzahlschwankungen mittels Signalmodulation gewonnen wird.
Die Gewinnung eines solchen Merkmalssignals ist in der DE
Patentanmeldung 19531845.5 beschrieben, die im folgenden als
in vollem Umfang mitoffenbart vorausgesetzt wird. Kurz
zusammengefaßt beschreibt die genannte Anmeldung ein
Verfahren zur Erkennung von Verbrennungsaussetzern, das auf
der Basis eines ersten Signals arbeitet, in dem sich sich
die Ungleichförmigkeit der Drehbewegung der Kurbelwelle der
Brennkraftmaschine abbildet, und bei dem ein zweites Signal
erzeugt wird, das periodisch ist und dessen Periodendauer
der Periodendauer eines Arbeitsspiels der Brennkraftmaschine
oder dieser Periodendauer, geteilt durch eine ganze Zahl k,
entspricht und das eine feste Phasenbeziehung zur
Drehbewegung der Kurbelwelle aufweist und bei dem das zweite
Signal mit einem auf dem ersten Signal basierenden Signal
moduliert und gefiltert wird und bei dem das aus Modulation
und Filterung hervorgehende modulierte dritte Signal zur
Erkennung von Verbrennungsaussetzern und zur Identifikation
der betroffenen Zylinder verwendet wird. Das dritte Signal
stellt damit in Bezug auf die nachfolgende
Klassifikationsstufe ein Eingangsmerkmalssignal dar, in dem
sich die Ungleichförmigkeit der Drehbewegung der Kurbelwelle
der Brennkraftmaschine in der k-ten Ordnung abbildet.
Das so gewonnene Merkmalssignal beinhaltet sowohl Frequenz-
als auch Zeitbereichsinformationen, womit sich der Signal-
Rauschabstand für die nachfolgenden Klassifikationsstufen
wesentlich erhöht.
Beschränkt man sich bei der Merkmalsextraktion auf die erste
Ordnung, d. h. k=1, sind bspw. Daueraussetzer von in der
Zündreihenfolge symmetrisch angeordneten Zylindern nicht zu
erkennen.
Außerdem besitzen einige Kombinationen von Daueraussetzern
mehrerer Zylinder (Mehrfachaussetzer) Anteile in der 1.
Ordnung, die zu einer falschen Erkennung als Daueraussetzer
eines Zylinders und zu einer falschen Zylinderidentifikation
führen.
Vor diesem Hintergrund liegt die Aufgabe der Erfindung
darin, eine zuverlässige Erkennung von Daueraussetzern in
einem oder mehreren Zylindern insbesondere im kritischen
Bereich niedriger Lasten bei hohen Drehzahlen und
Zylinderzahlen zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen
Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung
sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Dabei betrifft der Kern der Erfindung die Klassifikation.
Durch Auswertung von zusätzlichen Merkmalsignalen, die
weiteren Ordnungen zugeordnet sind, gestattet die hier
vorgestellte Erfindung das Erkennen von Daueraussetzern an
mehreren Zylindern und ermöglicht somit eine Erkennung und
Zylinderidentifikation von Daueraussetzern an einem
Zylinder.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß
die in dem zur Auswertung genutzten Merkmalsignal vorhandene
Frequenz- und Zeitbereichsinformationen ausgewertet wird,
womit sich der Signal-Rauschabstand wesentlich erhöht.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter
Bezug auf die Figuren beschrieben. Im einzelnen zeigt Fig. 1
das technische Umfeld der Erfindung.
Fig. 2 offenbart ein Ausführungsbeispiel in einer
Funktionsblockdarstellung.
Fig. 3 zeigt ein typisches Eingangssignal ts(n) der
Merkmalsextraktionsstufe mit Daueraussetzern an einem oder
mehreren Zylindern eines 12-Zylindermotors.
Die Fig. 4, 5 und 6 stellen beispielhaft die Ausprägungen
von Aussetzerkombinationen innerhalb der Beträge der
Merkmalsignale verschiedener Ordnungen dar.
Fig. 1 zeigt eine Brennkraftmaschine 1 mit einer Sensorik
aus einem Winkelgeberrad 2, das Markierungen 3 trägt, und
einem Winkelsensor 4 sowie einen die Merkmalextraktion
symbolisierenden Block 5, einen die Klassifikation
symbolisierenden Block 6 und ein Mittel 7 zum Anzeigen des
Auftretens von Verbrennungsaussetzern. 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.
Die Segmentzeiten werden in den folgenden Stufen
weiterverarbeitet, wie es im Ausführungsbeispiel der Fig. 2
dargestellt ist.
Das Sensorsignal ts(n) ist an den Eingang der Signalverarbeitungs-
und Merkmalextraktionsstufe angelegt. Innerhalb dieser Stufe
kann eine Signalaufbereitung durch Dynamikkompensation
erfolgen. Die Signalmodulationsstufe dient der Extraktion
von Merkmalsignalen q11(n) bis q1k(n), welche der 1.
Ordnung bis k-ten Ordnung zugeordnet sind. Die Bildung der
Merkmalsignale kann entsprechend der in der DE
Patentanmeldung 19531845.5 beschriebenen Weise erfolgen.
Die notwendige Anzahl der Ordnungen hängt von der
Zylinderzahl ab und lautet:
für Zylinderzahl = 3: k = 1
für Zylinderzahl = 4: k = 1, 2
für Zylinderzahl = 5: k = 1, 2
für Zylinderzahl = 6: k = 1, 2, 3
für Zylinderzahl = 8: k = 1, 2, 4
für Zylinderzahl = 12: k = 1, 2, 3, 4, 6.
für Zylinderzahl = 3: k = 1
für Zylinderzahl = 4: k = 1, 2
für Zylinderzahl = 5: k = 1, 2
für Zylinderzahl = 6: k = 1, 2, 3
für Zylinderzahl = 8: k = 1, 2, 4
für Zylinderzahl = 12: k = 1, 2, 3, 4, 6.
Die ordnungsspezifischen Merkmalsignale werden an je einen
Referenzsignalgenerator und anschließend an einen
Betragsbildner gelegt.
Der Referenzsignalgenerator ist dadurch gekennzeichnet, daß
bei kleinen Signaländerungen des Eingangsmerkmalsignals das
Referenzsignal dem tiefpaßgefilterten Eingangssignal
entspricht und daß bei großen Signaländerungen das
Referenzsignal eingefroren wird, bis wieder kleine
Signaländerungen auftreten.
Anschließend werden die Merkmalsignale nach der
Betragsbildung einem Schwellwertvergleich unterzogen. Die
Schwellwerte können kennfeldabhängig sein.
Fig. 3 zeigt ein typisches Eingangssignal ts(n) mit
Daueraussetzern an einem und mehreren Zylindern bei einem
12-Zylindermotor mit 2000 U/min und 32% Last. Auffällig ist
der geringe Störabstand bei einem Bankaussetzer, bei dem
jeder zweite Zylinder aussetzt. Die Zündreihenfolge lautet:
1 - 12 - 5 - 8 - 3 - 10 - 6 - 7 - 2 - 11 - 4 - 9
Fig. 4, 5 und 6 zeigen beispielhaft die Ausprägungen von
Aussetzerkombinationen innerhalb der Merkmalbetragssignale,
die verschiedenen Ordnungen zugeordnet sind.
Die Merkmalsignale besitzen folgende Eigenschaften:
Im Merkmalsignal für die 1. Ordnung wird der Daueraussetzer
eines Zylinders deutlich abgebildet. Asymmetrisch auf die
Zylinder verteilte Mehrfachdaueraussetzer ,verursachen eine
mindestens ca. 1.5fach größere Amplitude. Paarweise
symmetrisch auf die Zylinder verteilte
Mehrfachdaueraussetzer und Bankaussetzer erzeugen keine
Anteile. Der kurze Anteil bei Zylinder 1+6 ist auf das
zeitlich versetzte Ausschalten beider Zylinder
zurückzuführen.
Im Merkmalsignal für die 2. Ordnung verursachen die
paarweise symmetrisch auf die Zylinder verteilten Aussetzer
Anteile, welche diejenigen des Daueraussetzers an einem
Zylinder mindestens um das Doppelte übertreffen.
Asymmetrisch auf die Zylinder verteilte
Mehrfachdaueraussetzer besitzen in dieser Ordnung ebenfalls
Anteile, während Bankaussetzer nicht wahrnehmbar sind.
Fast alle Daueraussetzertypen erzeugen mehr oder weniger
ausgeprägte Anteile in der 6. Ordnung. Die Anteile des
Bankaussetzers übertreffen die des Daueraussetzers an einem
Zylinder mindestens um das Fünffache.
Diese Eigenschaften sind die Grundlage für die weitere
Auswertung der Merkmalsignale in Fig. 2. Die Merkmalsignale
werden nach der Betragsbildung einem Schwellwertvergleich
unterzogen. Die Schwellwerte können kennfeldabhängig sein.
Bei Überschreitung des ersten Schwellwertes durch den Betrag
des ersten, der 1. Ordnung zugeordneten Merkmalsignals wird
vorläufig ein Daueraussetzer an einem Zylinder erkannt.
Bei Überschreitung mindestens eines Schwellwertes durch den
Betrag der weiteren Eingangmerkmalsignale, welche höhere
Ordnungen repräsentieren, oder bei Überschreitung des
zweiten, höheren Schwellwertes durch den Betrag des ersten
Merkmalsignals wird das Erkennungssignal für Daueraussetzer
an mehreren Zylinder ecm(n) aktiv geschaltet.
Durch eine weitere logische Verknüpfung ist sichergestellt,
daß bei aktivem Erkennungssignal für Daueraussetzer an
mehreren Zylindern das Erkennungssignal für Daueraussetzer
an einem Zylinder ecs(n) stets inaktiv und bei inaktivem
Erkennungssignal für Daueraussetzer an mehreren Zylindern
das vorläufig gesetzte Erkennungssignal für Daueraussetzer
an einem Zylinder nach außen geschaltet wird.
Claims (4)
1. Verfahren zur Erkennung von Verbrennungsaussetzern auf
der Basis eines ersten Eingangsmerkmalsignals, in dem sich
die Ungleichförmigkeit der Drehbewegung (auf Basis Drehzahl
oder Segmentzeiten) des Verbrennungsmotors innerhalb der 1.
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 (auf
Basis Drehzahl oder Segmentzeiten) des Verbrennungsmotors
innerhalb weiterer Ordnungen abbildet, deren Anzahl von der
Zylinderzahl des Verbrennungsmotors abhängt und deren
Beträge mit je einem jeder Ordnung zugeordneten Schwellwert
verglichen werden, dadurch gekennzeichnet,
- - daß bei Überschreitung des ersten Schwellwertes durch den Betrag des ersten Eingangsmerkmalssignals vorläufig ein Daueraussetzer an einem Zylinder erkannt wird und
- - daß bei Überschreitung mindestens eines Schwellwertes durch den Betrag der zugeordneten weiteren Eingangmerkmalsignale oder bei Überschreitung des zweiten Schwellwertes durch den Betrag des ersten Merkmalsignals ein Erkennungssignal für Daueraussetzer an mehreren Zylinder aktiv wird und
- - daß bei aktivem Erkennungssignal für Daueraussetzer an mehreren Zylindern das Erkennungssignal für Daueraussetzer an einem Zylinder stets inaktiv geschaltet wird und
- - daß bei inaktivem Erkennungssignal für Daueraussetzer an mehreren Zylindern das vorläufige Erkennungssignal für Daueraussetzer an einem Zylinder nach außen geschaltet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet,
- - daß in dem Signalpfad der einzelnen Eingangsmerkmalsignale vor oder nach der Absolutwertbildung zum Schwellwertvergleich ein Referenzsignalgenerator geschaltet ist und
- - daß in diesem Referenzsignalgenerator eine Signalglättung durch lineare- oder nichtlineare Tiefpaßfilterung erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß bei
inaktivem Erkennungssignal für Daueraussetzer an mehreren
Zylindern und bei aktivem Erkennungssignal für
Daueraussetzer an einem Zylinder eine Identifikation des
aussetzenden Zylinders erfolgt und nach außen geschaltet
wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß bei
aktivem Erkennungssignal für Daueraussetzer an mehreren
Zylindern aus den Merkmalsignalen eine Identifikation der
mindestens zwei dauernd aussetzenden Zylinder erfolgt.
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