DE19622848C2 - System und Verfahren zur Detektion von Fehlzündungen in einem Motor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung ist auf ein System und ein Verfahren zur Detektion von Fehlzündungen in Zylindern von Verbrennungsmotoren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 15 sowie auf ein Verfahren gemäß Anspruch 18 zur Steuerung der Kraftstoffzufuhr zu Zylindern eines Verbren­ nungsmotors gerichtet.

Um der Nachfrage nach gesteigerter Effizienz der Verbrennungsmotoren und verbes­ serter Emissionskontrolle nachzukommen, haben Motorenhersteller Techniken ent­ wickelt, um permanent die Betriebskennwerte der Motoren zu überwachen um festzu­ stellen, wenn der Lauf eines Motors ungewöhnlich ist oder außerhalb vorbestimmter Toleranzen liegt. Dies ist insbesondere bei fortschrittlichen Motoren wichtig, die aus­ gelegt sind, um die übliche Kraftstoffausnutzung und Emissionskontrolle zu erreichen oder zu übertreffen. Sogar noch wichtiger ist, daß ein Verbrennungsmotor beschädigt werden kann, was teuere Reparaturen oder vorzeitige Wartungen erfordert, wenn der Verbrennungsmotor in einem nicht optimalen oder fehlerhaften Zustand betrieben wird.

Ein solcher Kennwert des Motorbetriebes ist das Auftreten von Fehlzündungen eines Zylinders des Motors. Eine Fehlzündung in einem Zylinder des Motors kann aufgrund einer fehlen­ den Zündung des Kraftstoff/Luft-Gemisches in einem Zylinder des Motors (fehlende Verbrennung) oder aufgrund der unvollständigen Zündung des Kraftstoff/Luft- Gemisches, verursacht durch ein zu mageres Gemisch, (unvollständige Verbrennung) auftreten. Jede Fehlzündung beeinflußt die Motorleistung und kann in erhöhten Emis­ sionen und reduzierter Kraftstoffausnutzung resultieren.

Wenn ein Motorfehlzündungszustand nicht detektiert und korrigiert wird, kann eine Beschädigung eines Fahrzeugs auftreten. Beispielsweise werden in vielen durch Verbrennungsmotoren angetriebenen Fahrzeugen Katalysatoren eingesetzt, um den durch die Fahrzeugabgase verursachten Schadstoffausstoß zu reduzieren. Aufgrund des Aufbaus und der Funktion der Katalysatoren ist in diesen gewöhnlich eine große Wärmemenge vorhanden. Wenn daher eine fehlende oder unvollständige Verbrennung auftritt, wird Kraftstoff durch den Auspuff in den Katalysator geleitet, wo der Kraft­ stoff aufgrund der im Katalysator vorhandenen Wärme verbrennt. Die durch diese di­ rekte Verbrennung im Katalysator erzeugte zusätzliche Wärme zerstört den Katalysa­ tor sehr schnell.

Verschiedene Lösungswege wurden beim Stand der Technik eingeschlagen, um Mo­ torfehlzündungen zu detektieren. Eine bekannte Technik zur Detektion einer Fehlzün­ dung im Zylinder eines Motors besteht darin, einen Druckmeßwandler innerhalb des Auspuffs des Verbrennungsmotors anzuordnen. Der Druckmeßwandler wandelt den Auspuffgasdruck generell in ein elektrisches Signal um, das verarbeitet werden kann, um eine Fehlzündung in einem Zylinder des Motors zu detektieren.

Die den Ausgangspunkt der vorliegenden Erfindung bildende US 5,287,283 A offen­ bart ein System und Verfahren zur Detektion von Fehlzündungen bei einem Verbren­ nungsmotor in einem stabilisierten Betriebszustand. Gemäß einer Ausführungsvariante ist jedem Zylinder des Motors ein separater Drucksensor zur Erfassung des Abgas­ drucks zugeordnet. Aus den einzelnen Druckwerten wird ein über alle Zylinder ge­ mittelter Auspuffdruck berechnet, von dem ein von Betriebskennwerten, wie der Ro­ tationsgeschwindigkeit, des Motors abhängiger Druckschwellwert zur Bestimmung eines minimalen Druckwertes subtrahiert wird. Durch Einzelvergleich der Werte der Drucksensoren mit dem minimalen Druckwert ist bestimmbar, welcher Zylinder fehl­ gezündet hat. Alternativ kann nur ein Drucksensor einer Gruppe von Zylindern oder allen Zylindern zugeordnet sein, wobei dann eine Mittelwertbildung und die Bestim­ mung, welcher der Zylinder fehlgezündet hat, nicht mehr möglich sind.

Die US 5,193,513 A offenbart ein in einem Verbrennungsmotor verwendbares System zur Detektion von Fehlzündungen, bei dem ein Auspuffdrucksensor, ein Positionssen­ sor zur Abtastung der Drehlage des Motors und ein Analog/Digital-Wandler zur Di­ gitalisierung eines vom Drucksensor erhaltenen Analogsignals verwendet werden. Die digitalisierten Druckdaten werden unter Verwendung eines Datenklassifikators (d. h. eines Musterkennungssystems) verglichen, der ausgebildet ist, um Datenkennungssi­ gnale einzelner fehlzündender Zylinder zu erkennen. Um den Klassifikator zu trainie­ ren, wird der Motor in einem Teststand betrieben und Motordaten werden während absichtlich verursachten Fehlzündungen und unter normalen Bedingungen aufge­ nommen. Diese Daten werden dann dem Datenklassifikator in einer Lernphase zuge­ führt. Systeme zur Detektion von Motorfehlzündungen, wie in dem genannten Patent offenbarte, schlagen jedoch darin fehl, eine Vielzahl von Motorbetriebskennwerten mit gemessenen Zylinderspitzendrücken des Motors zu vergleichen, um teilweise oder vollständige Fehlzündungen des Motors zu detektieren.

Die US 3,965,667 A offenbart beispielsweise eine Vorrichtung zur Detektion von Fehlzündungen, bei der der Saugdruck eines Motors detektiert und zur Berechnung ei­ nes Schwellwertes verwendet wird, wobei eine Fehlzündung in einem Zylinder festge­ stellt wird, wenn der Auspuffgasdruck diesen Schwellwert übersteigt.

Des weiteren offenbart die US 3,983,754 A eine Vorrichtung zur Detektion von Fehl­ zündungen in einem mehrzylindrigen Verbrennungsmotor, wobei druckempfindliche Einrichtungen in den Zweigen des Auspuffkrümmers oder Auslaßöffnungen vorgese­ hen sind und die Ausgangssignale dieser Einrichtungen verglichen werden, um eine Fehlzündung in einem Zylinder des Motors zu detektieren.

Die US 4,567,755 A offenbart einen Zündungs/Fehlzündungs-Detektor für einen Verbrennungsmotor, wobei eine Druckdetektoreinheit verwendet wird, um Änderun­ gen im Verbrennungsdruck im Motor zu detektieren, und eine Zündungs/Fehlzün­ dungs-Detektoreinheit verwendet wird, um das Auftreten einer Motorfehlzündung festzustellen.

Weiter offenbart die US 3,924,457 A eine Fehlzündungsdetektoreinrichtung für einen Verbrennungsmotor, wobei ein Auspuffgas aufnehmendes Rohr benachbart zu einer Auslaßöffnung in einem Auspuffdurchgang vorgesehen ist, um einen an einem Ende des Auspuffgas aufnehmenden Rohres angeordneten Druckmeßwandler mit Auspuff­ gas zu versorgen, um Druckschwankungen festzustellen, die eine mögliche Fehlzün­ dung in einem Zylinder anzeigen können.

Die EP 0 632 261 A2 offenbart ein System zur Detektion von Fehlzündungen in Zy­ lindern, das einen Sensor verwendet, um einen Zylinder des Motors für alle Motorzy­ klen zu überwachen und einen Mittelwert des detektierten Ausgangssignals für jeden Zylinder bereitzustellen. Des weiteren werden die Motorgeschwindigkeit und der Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors verwendet, um ein effektiveres System zur Detektion von Motorfehlzündungen zu schaffen. Dieser Stand der Technik ist auf ein System zur Detektion niedriger Leistung in zumindest einem Zylinder eines Mehr­ zylindermotors gerichtet. Des weiteren offenbart ist hier die Verwendung von Druck­ sensoren, und zwar eines Sensors für jeden Zylinder, um eine Motorfehlzündungsde­ tektion zu ermöglichen.

Nach dem Erfassen einer Vielzahl von Motorbetriebskennwerten in Realzeit ein­ schließlich des Motorauspuffdrucks, muß ein passender Algorithmus formuliert wer­ den, um die durch die Sensoren erzeugten elektrischen Signale in eine lesbare Form weiterzuverarbeiten und eine Reihe von Operationen auszuführen, um eine teilweise oder vollständige Fehlzündung zu detektieren. Bei der Berechnung, ob eine Fehlzün­ dung in einem Zylinder des Motors aufgetreten ist, schlägt der Stand der Technik bei­ spielsweise ein Verfahren vor, bei dem ein Spitzenwert und ein gemittelter Wert für einen erfaßten Zustand verwendet werden, um die Fehlfunktion eines Zylinders zu detektieren.

Beispielsweise offenbart die US 5,144,929 A eine Vorrichtung, die einen Spitzenwert eines erfaßten Zustands und einen gemittelten Wert des erfaßten Zustands berechnet und diese Werte verwendet, um einen Spitzenschwellwert unter Verwendung einer Spitzenschwellwertberechnungseinheit zu erzeugen. Der gemittelte Wert wird unter Verwendung der Spitzenschwellwertberechnungseinheit verstärkt, und ein Kompen­ sationswert wird zu diesem Wert addiert, um den Spitzenschwellwert zu bilden. Dann wird eine Subtraktionseinheit verwendet, um einen Vergleich zwischen dem Spitzen­ wert und dem Spitzenschwellwert vorzunehmen und einen Abweichungswert zu bestimmen, der zur Festlegung verwendet wird, ob eine Fehlfunktion in einem Motor­ zylinder aufgetreten ist. Obwohl dieses Patent ein Verfahren zur Verwendung erfaßter Betriebsdaten zur Festlegung, ob eine Fehlfunktion in einem Zylinder aufgetreten ist, zu offenbaren scheint, fehlt ein Algorithmus, der die Motorbetriebskennwerte, wie Kraftstoffverbrauch, Kühlmitteltemperatur und Motorgeschwindigkeit, in Kombinati­ on mit einem erfaßten Motorauspuffdruck verarbeitet, um ein verläßliches System und Verfahren zur Detektion einer Fehlzündung in einem Zylinder zu bilden.

Die EP 0 288 056 A2 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses eines Verbrennungsmotors, wobei Fehlzündungen durch Messen der Temperatur im Verbrennungsraum und eine Fehlzündungsgrenzwertlinie für das Kraftstoff/Luft-Verhältnis detektierbar sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches, zuverlässiges System und Verfahren zur Detektion von Fehlzündungen in einzelnen Zylindern eines Motors sowie ein Verfahren zur Steuerung der Kraftstoffzufuhr anzugeben, um die Motorleistung zu steigern, Motoremissionen zu verringern und die Kraftstoffausnut­ zung zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein System mit den Merkmalen des An­ spruchs 1, durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 15 sowie durch ein Verfahren zur Steuerung der Kraftstoffzufuhr gemäß Anspruch 18 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Es ist vorgesehen, daß bei der vorschlagsgemäßen Detektion von Fehlzündungen in Zylindern Motorbetriebskennwerte in Realzeit erfaßt und in Kombination mit einem erfaßten Zylinderdruckwert für jeden Verbrennungszyklus (jedes Arbeitsspiel) eines Verbrennungsmotors verwendet werden, um festzustellen, ob ein Zylinder des Motors unsachgemäß betrieben wird.

Vorteilhafterweise wird bei diesem System und Verfahren der Aufpuffkrümmerdruck durch einen einzigen Drucksensor gemessen, um Fehlzündungen in allen Zylindern des Verbrennungsmotors zu detektieren. Insbesondere ist ein Drucksensor, wie ein piezoelektrischer Sensor oder Überdrucksensor, im Auspuffkrümmer stromauf eines Turboladers angeordnet, um den Auspuffkrümmerdruck relativ zum atmosphärischen Umgebungsdruck zu überwachen. Während eines normalen Verbrennungszyklus ist, wenn sich das Auslaßventil öffnet, der Zylinderinnendruck wesentlich höher als der Auspuffkrümmerdruck und verursacht zu jedem Öffnen des Auslaßventils korrespon­ dierende Druckimpulse im Auspuffkrümmer. Ein normaler Verbrennungszyklus stellt eine Periode dar, in der alle Zylinder einmal gezündet oder zu zünden versucht haben. Nach Erfassen der durch jedes Öffnen der Auslaßventile verursachten Spitzendruck­ impulse wird das Drucksensorsignal durch einen Analog/Digital-Wandler digitalisiert und an einen Prozessor weitergeleitet, um analysiert und in einem Speicher gespei­ chert zu werden.

Wenn ein Verbrennungszyklus abgeschlossen ist, wird ein laufend gemittelter Spit­ zendruck für alle Zylinder berechnet. Der laufend gemittelte Spitzendruck wird be­ stimmt, indem der aktuelle Spitzendruckwert (für einen einzigen Zylinder) mit dem vorausgehenden Mittelwert der während des Verbrennungszyklus erfaßten Spitzen­ druckwerte (für zwei oder mehr Zylinder) gemittelt wird. Wenn ein Zylinder unter ei­ ner teilweisen oder vollständigen Fehlzündung leidet, reduziert sich die Stärke des Druckimpulses für diesen Zylinder. Um eine Motorfehlzündung tatsächlich zu detek­ tieren, berechnet der Prozessor einen Druckschwellwert in Abhängigkeit von minde­ stens einem der Werte Motorgeschwindigkeit und Kraftstoffverbrauch. Der Druck­ schwellwert wird als ein prozentualer oder absoluter Druck berechnet, der vom glei­ tend gemittelten Spitzendruck subtrahiert wird, um einen minimalen Druckwert zu bestimmen. Wenn der Auspuffkrümmerdruck für einen Zylinder den minimalen Druckwert unterschreitet, wird eine Fehlzündung festgestellt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Prinzipskizze eines Verbrennungsmotors mit einem in einem Aus­ puffkrümmer des Verbrennungsmotors gemäß der vorliegenden Erfin­ dung angeordneten Drucksensor;

Fig. 2a eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der der Druck­ sensor in einem Abgassystem stromab des Auspuffkrümmers angeordnet ist;

Fig. 2b eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der der Drucksensor in einem einen Turbolader mit zwei Eingängen umfassen­ den Abgassystem stromab des Auspuffkrümmers angeordnet ist;

Fig. 3 das Meßsignal des Drucksensors bei einem normal arbeitenden Verbren­ nungsmotor;

Fig. 4 das Meßsignal des Drucksensors, wenn ein Zylinder des Verbrennungs­ motors fehlzündet;

Fig. 5 einen Schwellwert und gemittelten Spitzendruckwert, die verwende werden, um erfindungsgemäß Motorfehlzündungen zu detektieren;

Fig. 6 ein Blockdiagramm eines Systems, das verwendet werden kann, um er­ findungsgemäß Fehlzündungen in dem Motor zu detektieren;

Fig. 7 ein Flußdiagramm einer Software, die verwendet wird, um das Auftreten einer Fehlzündung basierend auf dem berechneten, gleitend gemittelten Spitzendruck und dem Druckschwellwert erfindungsgemäß zu detektieren; und

Fig. 8 ein Verfahren, um eine optimale Kraftstoffausnutzung unter Verwendung des erfindungsgemäßen Systems und Verfahrens zur Bestimmung von Fehlzündungen in Zylindern des Motors zu erhalten.

Fig. 1 illustiert eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Im ein­ zelnen umfaßt die bevorzugte Ausführungsform einen Drucksensor 126 der in einem Auspuffkrümmer 118 eines Verbrennungsmotors 100 angeordnet ist. Der Verbren­ nungsmotor 100 (mit innerer Verbrennung arbeitend) umfaßt einen Zylinder 112, ei­ nen Kolben 114, ein Auslaßventil 116, den Auspuffkrümmer 118, ein Einlaßventil 120, eine Einlaßöffnung 122, einen Turbolader 124 und den Drucksensor 126. In der bevorzugten Ausführungsform wird der Verbrennungsmotor 100 mit Erdgas betrie­ ben. Der Verbrennungsmotor 100 kann jedoch auch mit Diesel- oder Ottokraftstoff betrieben werden. Zudem kann der Verbrennungsmotor 100 nach der vorliegenden Er­ findung so ausgelegt sein, daß er den Erfordernissen der vom "California Regulations Board" verordneten Vorschrift "CARB OBD II" genügt.

Der Verbrennungsmotor 100 wird gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vor­ liegenden Erfindung mit Gas betrieben, um eine verbesserte Kraftstoffausnutzung zu erreichen. Bei Verwendung von Gas wird der fremd- bzw. funkengezündete Motor (Ottomotor) 100 in einem Zustand konstanter Geschwindigkeit betrieben, während der Kraftstoff langsam abgemagert wird, bis eine Fehlzündung des Motors 100 auftritt. Nach dem Auftreten der Fehlzündung wird der Kraftstoff(anteil) dann wieder minimal auf einen Level in der Nähe des Fehlzündungspunktes erhöht, um ein möglichst mage­ res Laufen des Motors 100 zu ermöglichen. Durch dieses Betreiben des Gasmotors 100 in der Nähe des Fehlzündungspunktes wird die Kraftstoffausnutzung stark verbes­ sert.

Der Drucksensor 126 ist in dem Auspuffkrümmer 118 angeordnet, um den Auspuff­ krümmerdruck relativ zu dem umgebenden atmosphärischen Druck zu überwachen. Der Drucksensor 126 ist vorzugsweise ein Überdrucksensor, der die Druckdifferenz zum Atmosphärendruck mißt, wie ein piezoelektrischer Sensor oder ein kapazitiver keramischer Sensor, der den extremen Temperaturen der Gase im Auspuffkrümmer 118 widerstehen kann. Es ist selbstverständlich, daß hierbei jede Art Sensor mit den vorgenannten Eigenschaften verwendet werden kann.

Während eines Verbrennungszyklus ist zu dem Zeitpunkt, wenn sich das Auslaßventil 116 öffnet, der Druck im Zylinder 112 wesentlich höher als der Druck im Auspuff­ krümmer 118. Ein Verbrennungszyklus bzw. ein Arbeitsspiel stellt die Periode dar, während der alle Zylinder 112 einmal gezündet oder zu zünden versucht haben. Folg­ lich werden (je nach Anzahl der Zylinder 112) Druckimpulse innerhalb des Auspuff­ krümmers 118 in jedem Verbrennungszyklus des Motors 100 erzeugt. Wenn die Ab­ gase von jedem Zylinder 112 ausgestoßen werden, werden sie stromab zu dem Tur­ bolader 124 geleitet. Der Drucksensor 126 ist vorzugsweise stromauf des Turboladers 124 am Ende des Auspuffkrümmers 118, wie in Fig. 1 gezeigt, angeordnet.

Aufgrund dieser Anordnung kann der einzige Drucksensor 126 Druckdaten für jeden Zylinder 112 des Motors 100 bereitstellen. Die Zylinder 112 werden nacheinander im Verlauf eines Verbrennungszyklus gezündet, wodurch die Abgase in verschiedenen Zeitintervallen ausgestoßen werden. Da jeder Zylinder 112 Abgase freisetzt, über­ wacht und erfaßt der Drucksensor 126 die in dem Auspuffkrümmer 118 erzeugten Druckimpulse. Nachfolgend wird die jeweilige Druckimpulsspitze durch einen Pro­ zessor 611 in einem Block 604 von Fig. 6 bestimmt. Die erfaßten Druckimpulsspit­ zendaten werden durch einen Analog/Digital(A/D)-Wandler 602 digitalisiert und in den Prozessor 611 durch den Block 604 geleitet, wie in Fig. 6 gezeigt, wo die Daten zur späteren Verarbeitung in einem Speicher 612 gespeichert werden.

Die Fig. 2a und 2b illustrieren die Lage des Drucksensors 126 innerhalb des Auspuff­ krümmers eines Motors in zwei alternativen erfindungsgemäßen Ausführungsformen. Fig. 2a zeigt einen Motorblock 210 eines Verbrennungsmotors mit sechs Zylindern. Öffnungen 214, 216 und 218 erstrecken sich auswärts in einen Auspuffkrümmer 212. Ähnlich erstrecken sich Auslaßöffnungen 222, 224 und 226 in einen Auspuffkrümmer 220. Während des Verbrennungszyklus werden die Abgase in die Auspuffkrümmer 212 und 220 ausgegeben und schließlich über Abgasleitungen 221, 223 und 234 zu ei­ ner Öffnung 230 geleitet. Der Drucksensor 126 ist von der Einmündung 232, an der die Abgasleitungen 221 und 223 zusammenlaufen, etwas zurückgesetzt angeordnet, wie in Fig. 2a gezeigt. An dieser Stelle kann der Drucksensor 126 die Druckimpulse von jedem Zylinder basierend auf der Abfolge der Zündung der Zylinder genau detek­ tieren. Da die Abgasdruckimpulse zu verschiedenen Zeiten auftreten, kann der Druck­ sensor 126 den Spitzendruck für jeden Zylinder nach seinem Zünden detektieren. Nachdem der Drucksensor 126 einen von der ersten Zylinderzündung in einem Verbrennungszyklus verursachten Druckimpuls in den Auspuffkrümmern 212, 220 detektiert hat, werden die erfaßten Daten umgehend digitalisiert und im Prozessor­ speicher 612 (der weiter unten im einzelnen unter Bezugnahme auf Fig. 6 beschrieben wird) zusammen mit der korrespondierenden Zylindernummer, die in diesem Fall "1" wäre, abgespeichert. Für jede nachfolgende Zylinderzündung bleibt der vorangehend beschriebene Systemablauf ungeändert. Die gespeicherten Druckdaten werden dann verwendet, um das Auftreten einer vollständigen oder teilweisen Fehlzündung einzel­ ner Zylinder zu bestimmen, indem der laufende Mittelwert der erfaßten Spitzendrücke für einen vollständigen Verbrennungszyklus, und ein Druckschwellwert, wie später unter Bezugnahme auf Fig. 6 beschrieben, berechnet werden.

Fig. 2b illustriert eine andere alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfin­ dung, bei der der Drucksensor 126 in einem Doppeleingangs-Turboauspuffsystem stromab der Auspuffkrümmer 212, 220 abgeordnet ist. Von dem Motorblock 210 ra­ gen eine Reihe von Auslaßöffnungen 214, 216, 218 und 222, 224, 226 ab, die mit den Auspuffkrümmern 212 bzw. 220, wie in Fig. 2b gezeigt, verbunden sind. Die Aus­ puffkrümmer 212 und 220 sind mit Abgasleitungen 231, 233 verbunden, die an einen Turbolader 250 an Einmündungen 252 und 254 anschließen. Der Drucksensor 126 ist in einem Durchgang 256 angeordnet, der die Abgasleitungen 231 und 233 miteinander verbindet. Von den Abgasleitungen 231 und 233 in den Durchgang 256 führende Öff­ nungen 251 und 253 sind klein, um zumindest weitestgehend ein Durchlassen der Ab­ gase von einer Abgasleitung in die andere zu unterbinden.

Der Drucksensor 126 muß vom Zentrum des Durchgangs 256 zurückgesetzt sein, um die Möglichkeit zu verringern, daß stehende Wellen erzeugt werden, die die Druck­ messung nachteilig beeinflussen könnten. Im Betrieb werden die Auspuffkrümmerga­ se stromab zum Turbolader 250 geleitet. Wenn die Gase die Einmündungen 252 und 254 bzw. die Öffnungen 251 und 253 erreichen, wird ein Druckimpuls im Durchgang 256 erzeugt, der vom Drucksensor 126 erfaßt wird. Da der Drucksensor 126 nicht im Auspuffkrümmer, wie in Fig. 1 gezeigt, angeordnet ist, muß der Drucksensor 126 ent­ sprechend kalibriert werden, um die ggf. aufgrund der Ausbreitung durch die Abgas­ leitungen 231 und 233 abgeschwächten Druckimpulse (genau) detektieren zu können. Diese alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorteilhaft, da nur ein einziger Drucksensor 126 erforderlich ist, um die Druckimpulse in beiden Abgas­ leitungen 231 und 233 zu detektieren.

Fig. 3 zeigt eine Kennlinie eines typischen Krümmerspitzendrucks, der vom Druck­ sensor 126 für die Zylinder detektiert wird, wenn eine ordnungsgemäße Zündung er­ folgt. Jede in Fig. 3 dargestellte Spitze korrespondiert zu der Öffnung eines Auslaß­ ventils des Verbrennungsmotors und der Freisetzung von Abgasen in den Auspuff­ krümmer. Wenn die Spitzendrücke für einen bestimmten Verbrennungszyklus erfaßt und in dem Speicher 612 gespeichert sind, bestimmt der in Fig. 6 gezeigte Prozessor 611 einen laufend gemittelten Spitzenauspuffdruck für alle Zylinder während eines einzigen Verbrennungszyklus, indem die Spitzendruckwerte addiert werden und die Summe durch die Anzahl der Zylinder geteilt wird. Wenn die Summe der Spitzen­ druckwerte für einen Sechszylindermotor beispielsweise 4,14 MPa (600 pounds per square inch (PSI)) beträgt, dann beträgt der gemittelte Spitzendruck für diesen Verbrennungszyklus 0,69 MPa (100 PSI). Diese Daten werden später mit einem Druckschwellwert verglichen, um das Auftreten einer vollständigen oder teilweisen Fehlzündung festzustellen. Die Berechnung des Druckschwellwertes wird im einzel­ nen unter Bezugnahme auf die Fig. 6 und 7 erläutert.

Immer wenn eine vollständige oder teilweise Fehlzündung auftritt, detektiert der Drucksensor 126 keinen Druckimpuls oder nur einen schwachen Druckimpuls von ei­ nem Zylinder oder mehreren Zylindern. Fig. 4 zeigt beispielsweise eine Kennlinie des erfaßten Auspuffkrümmerdruckes mit einer teilweisen Fehlzündung des Zylinders "3". Für jeden Verbrennungszyklus bzw. nach jeder einzelnen Zündung wird der gemittelte Spitzendruck durch den Prozessor 611 bestimmt, wie in Fig. 6 dargestellt, wodurch ein laufender Mittelwert des Spitzenauspuffkrümmerdruckes für jeden Zyklus erhalten wird. Der Mittelwert wird durch Mittelung der vorausgehend berechneten Spitzen­ drücke für alle oder mehrere Zylinder mit dem aktuell erfaßten Spitzendruck für eine einzige Zylinderzündung erfaßt. Wenn eine vollständige oder teilweise Fehlzündung auftritt, ist der gemittelte Spitzenauspuffkrümmerdruck für den Verbrennungszyklus niedriger als wenn alle Zylinder ordnungsgemäß zünden. Folglich kann eine mögliche Fehlzündung dadurch detektiert werden, daß ein aktuell erfaßter Spitzendruckwert (für einen Zylinder) mit dem laufend gemittelten Spitzendruck (für zwei oder mehr Zylin­ der) verglichen wird.

Eine teilweise oder vollständige Fehlzündung wird festgestellt, wenn der Spitzendruck für einen Zylinder niedriger als ein minimaler Druckwert ist, der durch Subtraktion des Druckschwellwertes von dem gleitenden Mittelwert der Spitzendrücke berechnet wird. Fig. 5 zeigt eine Kennlinie des gemittelten Spitzendrucks und des Druck­ schwellwerts im Verhältnis zu dem detektierten Spitzendruck für jeden Zylinder. Punkte an der Spitze jeder Druckwelle repräsentieren den vom Drucksensor 126 er­ faßten Spitzendruck. Die Kennlinie zeigt, daß der Spitzendruck für Zylinder "3" unter dem minimalen Druckwert (Mindestdruck) liegt, der die Differenz zwischen dem ge­ mittelten Spitzendruck und dem Schwellwert darstellt. Daher würde in diesem Fall ei­ ne Fehlzündung für Zylinder "3" festgestellt. Der Druckschwellwert wird in Abhän­ gigkeit bzw. als Funktion von Motorbetriebskennwerten, im Darstellungsbeispiel von Motorgeschwindigkeit und Kraftstoffverbrauch unter Last, berechnet, wie unter Be­ zugnahme auf Fig. 6 und 7 erläutert.

Fig. 6 zeigt ein Blockschaltbild des Systems zur Detektion von Motorfehlzündungen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das System umfaßt den Drucksensor 126, den Analog/Digital-Wandler 602, Motorbetriebssenso­ ren 607 und den Prozessor 611 zur Detektion des Spitzendrucks in Block 604 für jeden Zylinder und des gemittelten Spitzendrucks, der über einen vollständigen Verbrennungszyklus erfaßt wird, in Block 603. Der Prozessor 611 umfaßt den Spei­ cher 612 zur Speicherung von Daten. Der Prozessor 611 bestimmt ferner den Druck­ schwellwert, basierend auf den von den Motorbetriebssensoren 607 erfaßten Daten (Motorbetriebskennwerten), und subtrahiert den Druckschwellwert von dem gemittel­ ten Spitzendruck, um den minimalen Druckwert zu bestimmen. Der Prozessor 611 vergleicht dann den Spitzendruck eines jeden Zylinders mit dem minimalen Druck­ wert, um zu bestimmen, ob eine Fehlzündung aufgetreten ist. Die Motorbetriebssenso­ ren 607 umfassen hier einen Motorgeschwindigkeitssensor 608, wie einem Drehzahl­ messer, und einen Kühlmitteltemperatursensor 610, die jede dieser Motorbetriebs­ funktionen bzw. -daten erfassen. Die erfaßten Daten werden dann an einen Block 605 zur Berechnung des Druckschwellwerts weitergeleitet. Der Prozessor 611 ist ein Mi­ kroprozessor, wie ein Motorola 68000 Mikroprozessor, der ohnehin bereits in ein Fahrzeugsteuersystem eines Fahrzeugs eingebaut oder als eine zusätzliche Verarbei­ tungseinheit hinzugefügt sein kann. Der Speicher 612 kann ein Direktzugriffsspeicher (RAM) oder jede andere Art programmierbarer Speicher sein.

Im Betrieb erfaßt der Drucksensor 126 den Spitzendruck im Auspuffgaskrümmer für jeden Zylinder während eines Verbrennungszyklus. Um eine ausreichende Genauig­ keit der Spitzendruckwerte sicherzustellen, muß die Erfassungszeit und die Zeit, zu der der Druck innerhalb des Auspuffkrümmers bezüglich jeder Zylinderzündung tat­ sächlich einen Spitzenwert annimmt, synchronisiert sein. Um eine angepaßte Erfas­ sungszeit festzulegen, wird ein Sensor zur Überwachung der Lage der Motornocken­ welle oder Kurbelwelle verwendet. Die Erfassungszeit für den Drucksensor 126 muß zu jeder Zylinderzündung während eines Verbrennungszyklus korrespondieren. Der Nockensensor wird verwendet, um zu bestimmen, welcher Zylinder zündet, indem die Position eines Nockenrades am oberen Totpunkt (topdead-center (TDC) bzw. OT) er­ faßt und beispielsweise 60°-Umdrehung davon abgezogen werden, um den Zündzeit­ punkt für einen bestimmten Zylinder zu bestimmen.

Wenn der Zündzeitpunkt bestimmt ist, muß die Übertragungs- oder Ausbreitungsver­ zögerung der nach der Verbrennung von jedem Zylinder freigesetzten Auspuffgas­ druckwellen berechnet werden. Die Übertragungsverzögerung wird gemessen, indem die Zeitspanne zwischen dem Zünden des Zylinders und dem Moment, an dem die Spitzenauspuffgasdruckwelle den Drucksensor 126 erreicht, berechnet oder aufge­ nommen wird. Diese Zeitspanne variiert in Abhängigkeit vom Motortyp, von der An­ ordnung der Zylinder, von der Lage des Drucksensors und von anderen ähnlichen Faktoren. Folglich ist die Übertragungsverzögerung eine feste Zeitdauer, die durch ei­ ne Kennlinie oder eine Tabelle für jeden Motor bereitgestellt wird. Die Übertragungs­ verzögerungszeitdauer wird in den Mikroprozessor 611 in einer Vorproduktionsphase des Motors eingegeben, so daß der Sensor die Spitzendrücke im Auspuffkrümmer zum passenden Zeitpunkt erfassen kann, um schließlich mögliche Fehlzündungen in Zylin­ dern des Motors festzustellen.

Um die gewünschte Genauigkeit und Integrität der Spitzendruckablesewerte sicherzu­ stellen, kann der Drucksensor 126 eine Vielzahl von Meßwerten für jede Zylinderzün­ dung aufnehmen. Durch Aufnehmen einer Vielzahl von Meßwerten wird das Rau­ schen reduziert und die Genauigkeit des erfaßten Spitzendrucksignals verbessert. Bei dieser Ausführungsform nimmt der Drucksensor 126 mehrere Druckwerte während einer Zeitspanne auf, in der die Auspuffkrümmerdrücke Spitzenwerte gezeigt haben. Der Spitzendruck für eine bestimmte Zylinderzündung ist dann der höchste Druck aus der Vielzahl der erfaßten Meßwerte und wird in Block 604 bestimmt.

In einem alternativen Verfahren zur Bestimmung des Spitzendrucks in Block 604 wird ein digitales Bild der gesamten Auspuffkrümmerdruckwellenform für jede Zylinder­ zündung erzeugt und dann das Spitzendrucksignal basierend auf dem höchsten Druck­ ablesewert über der gesamten Druckwellenform bestimmt. Dieses Verfahren gestattet eine genaue Erfassung des Spitzendrucksignals über die Wellenformperiode und ver­ mindert oder erübrigt die Aufnahme einer Vielzahl von Meßwerten und einer Be­ stimmung der Übertragungsverzögerungen, wie oben beschrieben.

Die erfaßten Druckdaten werden in dem Analog/Digital-Wandler 602 digitalisiert, der analoge Datensignale in digitale Datensignale transformiert. Die digitalisierten Daten­ signale werden dann den Blöcken 603 und 604 im Prozessor 611 zugeleitet, um einer­ seits den gemittelten Spitzendruck und andererseits den aktuellen Spitzendruck jeweils zu berechnen. Im Block 603 werden die erfaßten Auspuffspitzendruckwerte für einen vollständigen Verbrennungszyklus gemittelt und im Prozessorspeicher 612 gespei­ chert. Der Prozessor 611 stellt einen gleitenden Mittelwert für jede Zylinderzündung durch kontinuierliches Speichern der gemittelten Spitzenauspuffdrücke im Speicher 612 bereit. Der Prozessor 611 vergleicht den während eines Verbrennungszyklus er­ zeugten gemittelten Spitzenauspuffgasdruck mit dem aktuellen Auspuffgasdruck eines Zylinders, um Druckänderungen zu überwachen.

Der Spitzendruck für jeden Zylinder wird in Block 604 bestimmt. Wenn der Druck­ sensor 126 den von einem Zylinder freigesetzten Auspuffgasdruck überwacht, erfaßt er den höchsten von jedem Zylinder während eines Verbrennungszyklus detektierten Druck. Dieser Spitzendruckwert wird von Block 604 zusammen mit der korrespondie­ renden Zylindernummer gespeichert. Die Zylindernummer für den Verbrennungszy­ klus wird durch einen Nockenwinkeldetektor bestimmt, der einen spezifischen Noc­ kenwinkel für jede Rotation der Nockenwelle oder Kurbelwelle des Motors detektiert. Bei einem in der bevorzugten Ausführungsform verwendeten Sechszylindermotor weist das an der Nockenwelle angebrachte Nockenrad sechs gleichmäßig beabstandete Zähne mit einem siebten Zahn auf, der zwischen zwei der gleichmäßig beabstandeten Zähne zur Detektion der OT-Position des Nockenrades angeordnet ist. Jedes der sechs gleichmäßig beabstandeten Zähne korrespondiert zu einer Zylinderzündung. Der siebte Zahn ist unmittelbar vor dem oberen Totpunkt des Nockenrades angeordnet. Der siebte Zahn ist also auf halbem Weg zwischen dem letzten Zahn und dem oberen Totpunkt positioniert, um das Auftreten eines vollständigen Verbrennungszyklus an­ zuzeigen. Wenn der Nockenwinkeldetektor den siebten Zahn während der Rotation des Nockenrades detektiert, kann er den Prozessor 611 zurücksetzen, um die Nummer jeder der Erkennung des siebten Zahns nachfolgenden Zylinderzündung festzulegen. Daher kann der Prozessor 611 identifizieren, welcher Zylinder während eines Verbrennungszyklus ggf. fehlgezündet hat. Nachfolgend wird der erfaßte Spitzen­ druck mit dem minimalen Druckwert im Block 606 verglichen. Wenn der Spitzen­ druck für einen Zylinder oberhalb des minimalen Druckwerts liegt, wird nicht auf Fehlzündung erkannt. Wenn der Spitzendruck für einen Zylinder unterhalb des mini­ malen Druckwertes liegt, wird eine Fehlzündung festgestellt. Nach Detektion einer Fehlzündung kann ein Benutzer über eine konventionelle, an den Prozessorausgang angeschlossene optische und/oder akustische Anzeigeeinrichtung bestimmen, welcher Zylinder fehlgezündet hat. Diese Information kann sich beispielsweise für einen Techniker beim Testen eines Verbrennungsmotors unter Verwendung des erfindungs­ gemäßen Systems zur Detektion von Motorfehlzündungen als wichtig erweisen.

Bei der bevorzugten Ausführungsform wird der Druckschwellwert unter Berücksichti­ gung des Motorlaufs bestimmt, um einen minimalen Druckwert bereitzustellen, der durch den Druckwert eines überwachten Zylinders nicht überstiegen werden darf, da­ mit das System eine vollständige oder teilweise Fehlzündung feststellt. Der Druck­ schwellwert stellt einen prozentualen oder absoluten Druckwert dar, der von dem lau­ fend gemittelten Spitzendruck am Ende eines vollständigen Verbrennungszyklus ab­ gezogen wird, um den minimalen Druckwert zu bestimmen, der für jeden Verbren­ nungszyklus variieren kann. Die Sensoren 607 sind in oder an dem Motor angeordnet, um Daten zur Berechnung des Druckschwellwerts basierend auf verschiedenen Mo­ torparametern (Motorbetriebskennwerten) zu erfassen. Vorhandene Motorsensoren können hierbei verwendet werden, um diese Motorbetriebsparameter zu detektieren.

Bei der Berechnung des Druckschwellwerts sollten bestimmte Motorbetriebsparame­ ter Vorrang vor anderen Parametern haben. Beispielsweise ist der wichtigste Motor­ betriebsparameter zur Berechnung des Druckschwellwertes der Kraftstoffverbrauch. So können durch Überwachen der Kraftstoffmenge, die in jedem Zylinder während ei­ nes Verbrennungszyklus verwendet wird, Abweichungen im Kraftstoffverbrauch ge­ nau detektiert werden. Variationen im Kraftstoffverbrauch können sich im Druck­ schwellwert wiederspiegeln, um anzuzeigen, ob eine Fehlzündung in einem Zylinder aufgetreten ist. Der zweitwichtigste Motorbetriebsparameter ist die Motorgeschwin­ digkeit bzw. Motordrehzahl. Basierend auf der Geschwindigkeit des Motors, insbe­ sondere der Rotation der Nockenwelle, kann auch detektiert werden, ob Abweichun­ gen in der Motorzündung auftreten. Beispielsweise kann eine Abnahme der Motorge­ schwindigkeit darauf hindeuten, daß ein Zylinder fehlgezündet hat. Daher ist diese In­ formation bei der Berechnung eines genauen Druckschwellwerts wichtig, um die Fehlzündung eines Zylinders zu detektieren. Die Kühlmitteltemperatur wird zu der Festlegung, ob auf Motorfehlzündungen geprüft wird, verwendet. Wenn der Motor kalt ist, wie durch die Kühlmitteltemperatur bestimmt, prüft der Prozessor 611 nicht auf Motorfehlzündungen. Nichtsdestotrotz wird ein Signal, wenn die Kühlmitteltem­ peratur eine vorbestimmte Temperatur erreicht oder überschritten hat, an den Mikro­ prozessor 611 geschickt, so daß dieser dann auf Motorfehlzündungen prüft.

Der Kraftstoffverbrauch bzw. die Kraftstoffverbrauchsrate wird bestimmt und in der Vorproduktionsphase in einem Speicher gespeichert. Diese Messung wird beim Darstellungsbeispiel verwendet, um den aktuellen Kraftstoffverbrauch eines gasbetriebe­ nen Ottomotors als Prozentsatz des Kraftstoffverbrauchs bei voller (100%) Belastung zu bestimmen. Der aktuelle Kraftstoffverbrauch wird unter Verwendung eines Kraft­ stoffmassenflußsensors und/oder anderer Sensoren bestimmt, die anzeigen, welche Kraftstoffmenge dem Motor zugeführt wird, und das Luft/Kraftstoff-Verhältnis bestimmen. Der Kraftstoffmassenflußsensor überwacht das Volumen bzw. den Volu­ menstrom des in die Zylinder fließenden Gases oder Kraftstoffs. Ein Abgassauerstoff­ sensor kann bei der vorliegenden Erfindung auch verwendet werden, um den aus dem Motor entweichenden Restsauerstoff zu überwachen, um einen Rückschluß auf die (tatsächlich) verbrannte Kraftstoffmenge zu ermöglichen. Einlaßluftdruck- und Ein­ laßlufttemperatursensoren können verwendet werden, um die den Zylindern zuge­ führte Luftmasse bzw. den zugeführten Luftmassenstrom zu bestimmen, um letztend­ lich das Luft/Kraftstoff-Verhältnis bestimmen zu können. Die Kraftstoffverbrauchs­ daten werden im Prozessorspeicher 612 gespeichert und zur Berechnung des Druck­ schwellwerts verwendet. Wenn der Kraftstoffverbrauch des Motors ansteigt, wird der Kraftstoffschwellwert auch angehoben aufgrund des angehobenen Drucks, der sich im Auspuff als Folge der zusätzlichen Kraftstoffverbrennung entwickelt.

Ein alternatives Verfahren zur Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses sieht vor, den mittleren Spitzenauspuffkrümmerdruck während eines Verbrennungszyklus zu überwachen. Der gemittelte Spitzenauspuffkrümmerdruck steigt an, wenn der dem Motor zugeführte Kraftstoff bzw. das zugeführte Kraftstoff/Luft-Gemisch abgemagert wird. Daher bildet ein Anstieg im gemittelten Spitzenauspuffkrümmerdruck einen Hinweis auf das dem Motor zu einem bestimmten Zeitpunkt zugeführte Luft/Kraftstoff-Gemisch. Weil das Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf die während eines Verbrennungszyklus verbrauchte Kraftstoffmenge hinweist, wird dieses Verhältnis bei der Bestimmung des Kraftstoffverbrauchs unter Last verwendet.

Die Motorgeschwindigkeit wird erfaßt, indem ein Sensor zur Überwachung der Rota­ tion der Nockenwelle angebracht wird. Die Motorgeschwindigkeit wird bestimmt, in­ dem die Geschwindigkeit zwischen jedem Zahn des Nockenrades bestimmt wird, wenn die Nockenwelle rotiert. Wenn also alle sechs Zähne eine Umdrehung vollendet haben, hat der Sensor die Motorgeschwindigkeitsdaten für jeden Zylinder für einen vollständigen Verbrennungszyklus erfaßt. Die erfaßten Daten werden in dem Prozessorspeicher 612 gespeichert und zur Berechnung des Druckschwellwerts verwendet. Wenn die Motorgeschwindigkeit ansteigt, ist ein höherer Schwellwert erforderlich, um den erhöhten Auspuffdruck zu kompensieren, der aus der erhöhten Motorgeschwin­ digkeit resultiert. Dieses Resultat tritt aufgrund des Anstiegs des gemittelten Spitzen­ drucks bezüglich der Geschwindigkeit und Last auf, was wiederum den Druck­ schwellwert erhöht, wenn sich die Geschwindigkeit erhöht.

Der Kühlmitteltemperatursensor 610 überwacht die Temperatur des Kühlmittels, wenn es aus dem Motor zum Kühler fließt. Daher ist der Sensor in der Flüssigkeitsleitung angebracht, die den Motor mit dem Kühler verbindet. Wie oben angesprochen, be­ stimmt dieser Sensor, wann mit dem Prüfen auf Fehlzündungen der Zylinder zu be­ ginnen ist. Wenn die Kühlmitteltemperatur einen vorbestimmten Level überschritten hat, beginnt der Mikroprozessor 611 mit dem Prüfen auf Fehlzündungen in Zylindern des Motors durch Erfassen der gemittelten Spitzenauspuffkrümmergasdrücke. Wenn die erfaßten (Kühlmitteltemperatur)Daten eine hohe Kühlmitteltemperatur anzeigen, wird der Druckschwellwert erhöht, um die Veränderung der Motorkühlmitteltempe­ ratur zu kompensieren.

Die Motorgeschwindigkeits- und Kraftstoffverbrauchsdaten werden Block 605 zur Be­ rechnung des Druckschwellwertes zugeführt. Die gespeicherten Motorsensordaten werden zur Berechnung des Druckschwellwertes verwendet, indem die erfaßte Infor­ mation in eine dreidimensionale Tabelle oder in ein dreidimensionales Datenregister unter Speicherung in Block 605 indexiert wird. Das dreidimensionale Datenregister umfaßt einen vorbestimmten Druckschwellwert, der basierend auf den berechneten Motorgechwindigkeits- und Kraftstoffverbrauchsdaten variiert.

Ein vorbestimmter Druckschwellwert wird berechnet, während der Motor in einem Teststand läuft. Durch die Durchführung von Tests bei verschiedenen Drücken und Kraftstoffverbräuchen kann ein Druckschwellwert für spezifische Motorbetriebspa­ ramter bestimmt werden. Dieser Schwellwert wird auf den gewünschten minimalen Druckwert gestützt, der den niedrigsten Drucklevel repräsentiert, bei dem der Motor effizient arbeitet, wie durch den Benutzer bestimmt. Wie oben angesprochen, wird bei einem gasbetriebenen Ottomotor der Kraftstoff abgemagert, bis eine Fehlzündung auftritt, und dann der Kraftstoff bis zu einem Punkt gerade oberhalb der Fehlzündung zu dem Luft/Kraftstoff-Gemisch hinzugefügt, um den Motor effizient zu betreiben. Dies wird bei der vorliegenden Erfindung durch den minimalen Druckwert repräsen­ tiert. Der Druckschwellwert kann durch einen prozentualen oder absoluten Druck re­ präsentiert sein. Im wesentlichen stellt der Druckschwellwert die Differenz zwischen dem gemittelten Spitzendruck und dem minimalen Druckwert dar. Wenn sich die Motorbetriebsparameter ändern, dann kompensiert der Druckschwellwert die Motor­ betriebsvariationen und es wird weiterhin ein gewünschter minimaler Druckwert bei­ behalten. Der Druckschwellwertprozentsatz sollte zwischen 15 bis 30% in Abhängig­ keit von den Motorbetriebsparametern betragen. Wenn die Motorgeschwindigkeit bei­ spielsweise 2500 U/min und der Kraftstoffverbrauch 5 ml/sec während eines Verbren­ nungszyklus beträgt, kann beim Testen ein Druckschwellwertprozentsatz festgelegt werden, der die Variation im Druck repräsentiert, die zur Kompensation der erfaßten Motorenzustände erforderlich ist. Wenn der gemittelte Spitzendruck beispielsweise 0,35 MPa (50 PSI) und der berechnete Druckschwellwert 30% beträgt, wäre der mi­ nimale Druckwert 0,24 MPa (35 PSI). Als absoluter Druck würde der Druckschwell­ wert bei diesem Beispiel 0,11 MPa (15 PSI) betragen. Wenn die erfaßte Motorge­ schwindigkeit ansteigt, kann jedoch ein höherer Druckschwellwert erforderlich sein, um die Variation im Druck als Folge der Motorgeschwindigkeitserhöhung zu berück­ sichtigen. Begrüßenswert ist, daß der Druckschwellwert unter Verwendung von nur einem Motorbetriebsparameter oder zwei Motorbetriebsparametern berechnet werden kann. Der Druckschwellwert wird im Block 605 berechnet und Block 606 zur Be­ stimmung des minimalen Druckwerts zugeleitet.

Eine Fehlzündung eines Zylinders wird festgestellt, wenn der beim Zünden eines Zy­ linders erfaßte Auspuffkrümmerdruck unter dem minimalen Druckwert liegt, der im Block 606 für jeden Zylinder berechnet und mit dem Spitzenauspuffdruck verglichen wird. Der minimale Druckwert repräsentiert den niedersten Drucklevel, bei dem der Motor effizient betrieben werden kann und der auf dem Auspuffdruck und Motorbe­ triebsparametern basiert, die während eines Verbrennungszyklus erfaßt wurden. Wenn der mittlere Spitzenauspuffdruck beispielsweise 0,35 MPa (50 PSI) und der Druck­ schwellwert 10% beträgt, dann beträgt der minimale Druckwert 0,31 MPa (45 PSI). Jeder erfaßte Spitzenauspuffkrümmerdruck unterhalb 0,31 MPa (45 PSI) würde als Fehlzündung behandelt werden, da erst bei 0,31 MPa (45 PSI) und darüber eine für ei­ nen effizienten Betrieb des Motors ausreichende Zylinderverbrennung vorliegt. Ein Benutzer der vorliegenden Erfindung kann den Level der Effizienz bestimmen, bei dem der Motor betrieben werden soll. Dieser Effizienzlevel kann basierend auf dem berechneten Druckschwellwert variieren. Wenn der Auspuffdruck für einen Zylinder unter den Effizienzlevel abfällt, wird eine Fehlzündung festgestellt und im Prozessor­ speicher 612 aufgezeichnet.

Fig. 7 zeigt ein Flußdiagramm des im Prozessor 611 durch Software verwirklichten Verfahrens, das zur Bestimmung des Auftretens einer Fehlzündung basierend auf dem berechneten mittleren Spitzendruck und dem Druckschwellwert verwendet wird. In Block 701 wird die Kühlmitteltemperatur zur Bestimmung erfaßt, ob der Prozessor 611 zur Detektion von Fehlzündungen in Zylindern aktiviert werden soll. Wenn die Kühlmitteltemperatur oberhalb eines vorbestimmten Wertes, wie 50° Fahrenheit, liegt, wird der Prozessor 611 das Motorfehlzündungsdetektionsverfahren aktivieren, wie durch Schritt 702 gezeigt. Falls die Kühlmitteltemperatur nicht oberhalb des genann­ ten Wertes liegt, wird die Kühlmitteltemperatur weiterhin überwacht, um festzustellen, wenn die Temperatur den vorbestimmten Wert erreicht oder überschreitet. In Block 703 werden vom Drucksensor 126 erfaßte Daten in den Prozessor 611 eingelesen, bei­ des in Fig. 6 dargestellt. Der Spitzendruck für jede Zylinderzündung wird in Block 704 bestimmt, und die Daten werden im Prozessorspeicher 612 gespeichert. Der Pro­ zessor 611 berechnet dann einen neuen gleitenden Mittelwert der Spitzendrücke basie­ rend auf dem aktuellen Spitzendruck (für eine Zylinderzündung) und dem vorausge­ hend berechneten gemittelten Spitzendruck (für sechs Zylinderzündungen) in Block 705. In Block 706 liest der Prozessor 611 die Kraftstoffverbrauchsdaten aus dem Speicher 612 ein. Dann werden die vom Motorgeschwindigkeitssensor erfaßten Daten in Block 707 durch den Prozessor 611 gelesen. In Block 708 wird der Druckschwell­ wert basierend auf den in den Schritten 706 und 707 eingelesenen Daten berechnet. Der Druckschwellwert wird in Block 709 vom gemittelten Spitzendruck subtrahiert, um einen minimalen Druckwert zu liefern. Wenn in Block 710 festgestellt wird, daß der erfaßte Spitzendruck für einen beliebigen Zylinder unter dem minimalen Druck­ wert liegt, dann bestimmt der Prozessor 611 in Block 711 die Nummer des Zylinders, der fehlgezündet hat. Die Motorfehlzündungsdaten werden dann in Block 712 dem Bediener präsentiert oder für spätere Auswertungen abgespeichert. Wenn der aktuelle Spitzendruck nicht unter dem minimalen Druckwert liegt, wird keine Fehlzündung detektiert, wie in Block 713 dargestellt, und der Prozessor 611 fährt mit dem Einlesen der vom Kühlmitteltemperatursensor gelieferten Daten in Block 701 für einen weite­ ren Verbrennungsvorgang fort.

Wenn einmal eine Motorfehlzündung detektiert worden ist, kann ein Bediener die im Prozessorspeicher 612 gespeicherten Daten zur Optimierung der Leistung des Verbrennungsmotors durch Anpassung verschiedener Motorparameter verwenden. Die Daten können auch als Eingabe für andere Motorsteueralgorithmen zur Verbesse­ rung der Motorbetriebsfunktionen verwendet werden. Beispielsweise können die Mo­ torfehlzündungsdetektionsdaten zur Optimierung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses, des Zündtimings, der Zündenergie, der Mehrfachzündung, der Abgasregelklap­ pensteuerung, der variablen geometrischen Turboladersteuerung (Vorrichtung zur Steuerung der Geometrie, insbesondere des Querschnittes, der Lufteinlaßöffnung des Turboladers) und anderer zugehöriger Motorfunktionen verwendet werden.

Fig. 8 illustriert ein Verfahren, um eine optimale Kraftstoffausnutzung unter Verwen­ dung des erfindungsgemäßen Systems und Verfahrens zur Bestimmung einer Fehl­ zündung in einem Zylinder des Motors zu erhalten. Der vorzugsweise gasbetriebene Ottomotor wird bei konstanter Geschwindigkeit betrieben, während der Kraftstoff langsam abgemagert wird, bis eine Motorfehlzündung auftritt, wie in Block 801 ge­ zeigt. Die Motorfehlzündung wird dann unter Verwendung des Motorfehlzündungs­ detektionssystems nach der bevorzugten Ausführungsform detektiert, wie in Block 802 dargestellt. Nachdem die Fehlzündung aufgetreten ist, wird der Kraftstoff(anteil) dann minimal bis zu einem Grad in der Nähe des Fehlzündungspunkts erhöht, um den Motor so mager wie möglich laufen zu lassen, wie in Block 803 gezeigt. Der Betrieb des Erdgasmotors in der Nähe des Fehlzündungspunkts verbessert die Kraftstoffaus­ nutzung und -effizienz sehr.

Das hier beschriebene System detektiert Motorfehlzündungen fortlaufend, wenn der Motor bzw. ein Fahrzeug in Betrieb ist. Durch die effiziente und genaue Detektion von Fehlzündungen in der oben beschriebenen Weise stellt die vorliegende Erfindung ein System und Verfahren bereit, um unter Verwendung einer kostengünstigen Lösung die Motorabnutzung zu reduzieren.

Das vorgeschlagene System und Verfahren zur Detektion von Motorfehlzündungen bei Verbrennungsmotoren kann überall dort sinnvoll angewendet werden, wo eine fortlaufende Überwachung des gemittelten Spitzenauspuffgasdrucks während eines Verbrennungszyklus und der Betriebseigenschaften eines Motors gewünscht wird, um feststellen zu können, ob der Motorlauf ungewöhnlich ist oder außerhalb vorbe­ stimmter Toleranzen erfolgt. Insbesondere sind das vorgeschlagene System und Ver­ fahren bei Motoren für stationäre Stromversorgungen und in Fahrzeugen einsetzbar.

Claims (18)

1. System zur Detektion von Fehlzündungen in Zylindern (112) eines Verbren­ nungsmotors (100), wobei das System einen in einem an mehreren Zylindern (112) angeschlossenen Auspuffabschnitt in Form einer Abgasleitung (221, 223, 234, 256) oder eines Auspuffkrümmers (118, 212, 220) des Verbrennungsmotors (100) angeordneten Drucksensor (126) zur Erfassung des Drucks von durch den Auspuffabschnitt strömendem Auspuffgas, Motorbetriebsdetektormittel zur De­ tektion von Betriebskennwerten des Verbrennungsmotors (100), die zumindest einen Kennwert ausgewählt aus der Gruppe Rotationsgeschwindigkeit, Kraft­ stoffverbrauch und Kühlmitteltemperatur des Verbrennungsmotors (100) umfas­ sen, und Datenverarbeitungsmittel aufweist, die mit den Motorbetriebsdetektor­ mitteln und dem Drucksensor (126) zur Berechnung eines zu den Betriebskenn­ werten korrespondierenden minimalen Druckwertes verbunden und so ausgebil­ det sind, daß durch Vergleich des vom Drucksensor (126) erfaßten Druckes mit dem minimalen Druckwert bestimmbar ist, ob eine Motorfehlzündung aufgetre­ ten ist, dadurch gekennzeichnet, daß das System so ausgebildet ist, daß durch zur Motordrehung und/oder zum Zündzeitpunkt einzelner Zylinder (112) zeitlich korrelierte Erfassung des Drucks von durch den Auspuffabschnitt strömendem Auspuffgas mittels des einen Drucksensors (126) bestimmbar ist, welcher Zylinder (112) der an den Auspuff­ abschnitt angeschlossenem Zylinder (112) fehlgezündet hat.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenverarbeitungs­ mittel einen Speicher (612) zur Speicherung der von dem Drucksensor (126) und den Motorbetriebsdetektormitteln erfaßten Daten umfassen.

3. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenverarbeitungsmittel ein Auspuffdruck-Mittelwertberechnungsmittel zur Berechnung eines gemittelten Auspuffdrucks aus den für jeden Zylinder (112) des Verbrennungsmotors (100) durch den Drucksensor (126) während eines voll­ ständigen Verbrennungszyklus erfaßten Drücken umfaßt.

4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenverarbeitungs­ mittel ein Minimaldruckwertberechnungsmittel zur Berechnung des minimalen Druckwertes durch - erstens - Berechnen eines Druckschwellwerts unter Ver­ wendung der detektierten Betriebskennwerte des Verbrennungsmotors (100) und - zweitens - Subtrahieren des Druckschwellwerts von dem gemittelten Auspuff­ druck umfaßt, um den minimalen Druckwert zu erhalten.

5. System nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenverar­ beitungsmittel ein Gleitmittelwertberechnungsmittel umfassen, das den von dem Auspuffdruck-Mittelwertberechnungsmittel gemittelten Auspuffdruck und einen aktuellen Auspuffdruckwert mittelt, um einen laufend gemittelten Auspuff­ druckwert zu erhalten, wobei dieser den gemittelten Auspuffdruck nach jeder Zylinderzündung ersetzt.

6. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksensor (126) ein Spitzendrucksensormittel zur Erfassung des höchsten von jedem Zylinder (112) des Verbrennungsmotors (100) während eines Verbrennungszyklus freigesetzten Druckes umfaßt.

7. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß weiter ein Analog/Digital-Wandler (602) vorgesehen ist, der mit dem Drucksen­ sor (126) und den Datenverarbeitungsmitteln verbunden ist, so daß die den Druck in dem Auspuffabschnitt darstellenden analogen elektrischen Signale vom Drucksensor (126) in digitale Signale für die Datenverarbeitungsmittel konver­ tierbar sind.

8. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit dem Ana­ log/Digital-Wandler (602) verbundenes Spitzendetektormittel (604) vorgesehen ist, so daß aus den digitalen Signalen während eines normalen Verbrennungszy­ klus der maximale erfaßte Druck für jeden Zylinder (112) des Verbrennungs­ motors (100) bestimmbar ist.

9. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksensor (126) ein Überdruckmesser ist.

10. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksensor (126) ein piezoelektrischer Sensor ist.

11. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksensor (126) ein kapazitiver keramischer Sensor ist.

12. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksensor (126) in einem mindestens zwei Abgasleitungen (231, 233) des Verbrennungsmotors (100) verbindenden Durchgang (256) angeordnet ist.

13. System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchgang (256) endseitige Einlässe (251, 253) mit gegenüber dem zentralen Bereich des Durch­ gangs (256) verkleinerten Durchmessern umfaßt, um das Durchlassen von Aus­ puffgasen zwischen den Abgasleitungen (231, 233) zu beschränken.

14. System nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksen­ sor (126) gegenüber dem Zentrum des Durchgangs (256) zurückgesetzt ist, um eventuell in dem Durchgang (256) auftretende stehende Wellen auszublenden.

15. Verfahren zur Detektion von Fehlzündungen in Zylindern (112) eines Verbren­ nungsmotors (100), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

• - Detektieren des von dem Verbrennungsmotor (100) erzeugten Auspuffgas­ drucks,
• - Detektieren von Betriebskennwerten des Verbrennungsmotors (100), die zumindest einen Wert aus der Gruppe Rotationsgeschwindigkeit, Kraft­ stoffverbrauch und Kühlmitteltemperatur des Verbrennungsmotors (100) umfassen,
• - Berechnen eines zu den Betriebskennwerten korrespondierenden minimalen Druckwertes,
• - Vergleichen des minimalen Druckwertes mit dem Auspuffgasdruck, und
• - Erzeugen eines Signals, das anzeigt, ob der Auspuffgasdruck geringer als der minimale Druckwert ist, um das Auftreten einer Fehlzündung in einem Zylinder (112) zu bestimmen,

dadurch gekennzeichnet, daß der Auspuffgasdruck zeitlich korreliert zur Motordrehung und/oder zum Zündzeitpunkt einzelner Zylinder (112) mittels eines einzigen Drucksensors (126) für mehrere Zylinder (112) bestimmt wird, so daß bestimmbar ist, ob einer der mehreren Zylinder (112) fehlgezündet hat.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß beim Berechnen des minimalen Druckwertes ein gemittelter Auspuffdruck für einen vollständigen Verbrennungszyklus und unter Verwendung der detektierten Betriebskennwerte des Verbrennungsmotors (100) ein Druckschwellwert berechnet und dieser vom gemittelten Auspuffgasdruck subtrahiert wird, um den minimalen Druckwert zu erhalten.

17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß weiter ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis detektiert wird, um das jedem Zylinder (112) während eines Verbrennungszyklus zugeführte Luft/Kraftstoff-Gemisch zu bestimmen.

18. Verfahren zur Steuerung der Kraftstoffzufuhr zu Zylindern (112) eines Verbren­ nungsmotors (100) zur Bestimmung eines optimalen Motorbetriebszustands, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

• - Verringern der einem Zylinder (112) oder mehreren Zylindern (112) des Verbrennungsmotors (100) zugeführten Kraftstoffmenge zur Verursachung einer Motorfehlzündung,
• - Detektieren der durch die unzureichende Versorgung mit Kraftstoff verur­ sachten Motorfehlzündung im Verbrennungsmotor (100) gemäß einem Ver­ fahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21, und
• - Erhöhen der dem Zylinder (112) oder den Zylindern (112) zugeführten Kraftstoffmenge in Abhängigkeit von der detektierten Fehlzündung bis zu einem Grad, der ausreichend ist, um den Verbrennungsmotor (100) ohne das Auftreten einer Motorfehlzündung bei optimaler Kraftstoffausnutzung zu betreiben.