DE19641916A1 - 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
darüber hinaus 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 Segment
zeit, in der die Kurbelwelle diesen Winkelbereich über
streicht, hängt unter anderem von der im Verbrennungstakt
umgesetzten Energie ab. Aussetzer führen zu einem Anstieg
der zündungssynchron erfaßten Segmentzeiten. Nach dem be
kannten Verfahren wird aus Differenzen von Segmentzeiten ein
Maß für die Laufunruhe des Motors berechnet, wobei zusätz
lich langsame dynamische Vorgänge, zum Beispiel der Anstieg
der Motordrehzahl bei einer Fahrzeugbeschleunigung, rechne
risch kompensiert werden. Ein auf diese Weise für jede Zün
dung berechneter Laufunruhewert wird ebenfalls zündungssyn
chron 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. Die Zuverlässigkeit der Aussetzererkennung
sinkt daher mit steigender Zahl der Zylinder der Brennkraft
maschine 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 erfindungsgemäße Auswertung der Differenz von mit unter
schiedlich schnellen Tiefpässen gefilterten Segmentzeitsi
gnalen beruht auf folgendem physikalischen Hintergrund und
besitzt die folgenden Vorteile:
Bei einem Verbrennungsaussetzer wird im Motor nicht wie vor gesehen Energie freigesetzt. Durch die infolgedessen fehlen de Beschleunigung der Kurbelwelle treten eine oder mehrere verlängerte Segmentzeiten auf. Dieses Ereignis tritt inner halb einer sehr kurzen Zeit auf. Die beiden Tiefpaßfilter können dem nur mit unterschiedlichen Verzögerungen folgen. Bei der Bildung der Differenz beider Filterausgangssignale ergibt sich daher in Verbindung mit einem Verbrennungs aussetzer eine zeitlich vorübergehende Änderung der Filter differenz. Mit anderen Worten: Der Verlauf der Filterdiffe renz zeigt beim Auftreten von Aussetzern bestimmte Charakte ristika, deren erfindungsgemäße Auswertung zu einer verbes serten Erkennungssicherheit führt.
Bei einem Verbrennungsaussetzer wird im Motor nicht wie vor gesehen Energie freigesetzt. Durch die infolgedessen fehlen de Beschleunigung der Kurbelwelle treten eine oder mehrere verlängerte Segmentzeiten auf. Dieses Ereignis tritt inner halb einer sehr kurzen Zeit auf. Die beiden Tiefpaßfilter können dem nur mit unterschiedlichen Verzögerungen folgen. Bei der Bildung der Differenz beider Filterausgangssignale ergibt sich daher in Verbindung mit einem Verbrennungs aussetzer eine zeitlich vorübergehende Änderung der Filter differenz. Mit anderen Worten: Der Verlauf der Filterdiffe renz zeigt beim Auftreten von Aussetzern bestimmte Charakte ristika, deren erfindungsgemäße Auswertung zu einer verbes serten Erkennungssicherheit führt.
Von Vorteil ist weiterhin, daß die Bildung des Filterdiffe
renzsignals gemäß Anspruch 1 den für die Aussetzererkennung
uninteressanten Gleichanteil des Segmentzeitsignals elimi
niert. Dagegen bleiben Segmentzeitschwankungen mit Frequen
zen zwischen der Kurbelwellen- und der Nockenwellen-
Drehfrequenz bei der Differenzbildung erhalten.
Die erfindungsgemäße Filterdifferenzsignalbildung führt ins
besondere dann zu einem deutlichen Signal, wenn sich die
durch Verbrennungsaussetzer verursachten Segmentzeiteinbrü
che in diesem Frequenzbereich befinden, sich also über meh
rere Segmente auswirken, wie es insbesondere bei hohen Dre
hahlen der Fall ist. Damit eignet sich das erfindungsgemäße
Verfahren besonders für die Aussetzererkennung im bisher be
züglich der Erkennungssicherheit kritischen Bereich der ho
hen Drehzahlen.
Vorteilhafterweise wird ein Maß für die Änderungen auf der
Basis des Verlaufs der Filterdifferenz zwischen zwei in
gleicher Richtung aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen der
Filterdifferenz ermittelt.
Das genannte Maß für die Änderungen kann ohne großen Aufwand
ermittelt werden, indem sukzessive aufeinanderfolgende Werte
der Filterdifferenz betragsmäßig aufsummiert werden, wobei
die Filterdifferenzwerte noch gewichtet werden können.
Von Vorteil ist insbesondere eine Gewichtung der Filterdif
ferenzkurve mit der Amplitude der Filterdifferenz, d. h. mit
dem Abstand des Wertes des Minimums vom Wert des darauffol
genden Maximums, bzw. umgekehrt.
Anstelle einer Auswertung der Filterdifferenz zwischen zwei
Nullstellen kann auch ein vorbestimmter Bereich um eine ein
zelne Nullstelle herum zur Auswertung herangezogen werden.
Vorteilhafterweise wird dazu ein Nulldurchgang aus dem nega
tiven zum positiven hin verwendet. Der Vorteil dieser Vari
ante ergibt sich aus dem meist wesentlich steileren Null
durchgang der Filterdifferenzkurve von minus nach plus im
Vergleich zur umgekehrten Richtung. Mit diesem Effekt geht
eine geringere Beeinflussung durch dynamischen Motorbetrieb
und stochastische Störungen einher.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in der folgenden
Beschreibung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
Im einzelnen zeigt Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Er
findung in Blockdarstellung. Fig. 2a stellt den Verlauf von
Segmentzeiten dar und Fig. 2b offenbart den Verlauf der er
findungsgemäß gebildeten Filterdifferenz.
Fig. 1 zeigt eine Brennkraftmaschine 1 mit einem Winkelge
berrad 2, das Markierungen 3 trägt, einem Winkelsensor 4,
Blöcken 5 und 6, die jeweils einen Tiefpaß repräsentieren,
einer Verknüpfung 7 zur Bildung der Filterdifferenz, d. h.
zur Bildung der Differenz der Ausgangssignale der Tiefpässe,
einem Block 8, der die Bildung eines Maßes für die Änderun
gen der Filterdifferenz symbolisiert, einem Block 9 für den
Vergleich des Ausgangssignals von Block 8 mit einem Schwell
wert und einem Mittel 10, das Schwellwertüberschreitungen in
Block 9 als Aussetzer wertet, d. h. anzeigt, zählt und/oder
abspeichert.
Die Funktionsblöcke werden bevorzugt durch Programmierung
eines Rechners realisiert, bei dem bekanntlich eine Rechen
einheit zwischen einem Eingabeblock und einem Ausgabeblock
unter Verwendung von in einem Speicher abgelegten Programmen
und Daten vermittelt.
Die Drehbewegung des mit der Kurbelwelle der Brennkraftma
schine gekoppelten Winkelgeberrades wird mit Hilfe des als
Induktivsensor realisierten Winkelsensors 4 in ein elektri
sches Signal umgewandelt, dessen Periodizität ein Abbild des
periodischen Vorbeistreichens der Markierungen 3 am Winkel
sensor 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 Markie
rung entsprechenden Winkelbereich weitergedreht hat.
Das Winkelgeberrad ist in Segmente eingeteilt, wobei jedes
Segment eine vorbestimmte Zahl von Markierungen aufweist und
den im Verbrennungstakt eines jeden Zylinders liegenden obe
ren Totpunkt umfaßt. Um diesen Punkt herum ist ein Drehwin
kelbereich ϕk definiert, der sich bspw. bei einem
4-Zylindermotor über die Hälfte der Markierungen des Winkel
geberrades erstreckt. Die zu einer Kurbelwellenumdrehung zu
gehörigen 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.
Die zu den jeweiligen Winkelbereichen erfaßten Segmentzeiten
werden in den Blöcken 5 und 6 parallel tiefpaßgefiltert, wo
bei bei diesem Ausführungsbeispiel der Tiefpaßfilter 6 der
schnellere sein soll. Im Block 7 wird dann das Signal des
schnelleren Tiefpaßfilters vom Signal des langsameren Tief
paßfilters subtrahiert.
Die Segmentzeitverlängerung im Falle eines Aussetzers und
auch die sich anschließende Verkürzung zeigt sich zunächst
im Signal des schnelleren Filters und erst verzögert im Si
gnal des langsameren Filters. Dadurch ergibt sich zunächst
ein negativer Verlauf der Filterdifferenz, dem sich ein po
sitiver Verlauf anschließt.
Im Block 8 wird ein Maß für die Änderung der Filterdifferenz
ermittelt. Dazu kann bspw. eine Ermittlung der Nullstellen
dienen, ergänzt um eine Aufsummierung der Beträge der Fil
terdifferenz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Nulldurch
gängen in gleicher Richtung. Der Wert der Summe ist dann ein
Maß für die Änderung der Differenz der Filterausgänge. Wenn
dieses Maß im Block 9 einen vorbestimmten Schwellwert über
schreitet, wird dies im Block 10 als Aussetzer gewertet,
d. h. als solcher gezählt und/oder abgespeichert und/oder an
gezeigt.
In der Fig. 2a 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.
Fig. 2b zeigt den Verlauf der erfindungsgemäß gebildeten
Filterdifferenz beim Auftreten eines Aussetzers.
Bei der dargestellten Variante wird auf Filterdifferenz-
Nulldurchgang von plus nach minus geprüft. Liegt ein solcher
vor, wird ein Maß für die Änderungen der Filterdifferenz auf
der Basis ihres Verlaufs zwischen zwei in gleicher Richtung
erfolgenden Nulldurchgängen ermittelt. Dazu können bspw.
nach einem ersten Nulldurchgang von plus nach minus die Wer
te der Filterdifferenz im Takt der Abfolge der Segmentzeiten
betragsmäßig aufsummiert werden, bis erneut ein solcher
Nulldurchgang auftritt. Dann wird der Summenwert zu Null ge
setzt und die Summierung beginnt erneut. Auch nach einer zu
applizierenden Höchstdauer wird die Summierung abgebrochen.
Wie sich aus Fig. 2b ergibt, wird die Summe der aufsummier
ten Beträge sich mit dem Anwachsen der Signalamplitudenaus
schläge vergrößern. Kleine Summenwerte, wie sie durch sto
chastische Schwankungen der Filterdifferenz um die Nullinie
herum auftreten, werden daher einen zu applizierenden
Schwellwert nicht überschreiten. Verbrennungsaussetzer füh
ren dagegen zu großen Summenwerten und können daher an der
Schwellwertüberschreitung erkannt werden.
Vor oder nach der Summierung können die Filterdifferenzwerte
noch mit Gewichtungsfaktoren versehen werden. Als solche
eignen sich insbesondere Differenzen von Maxima und Minima
der Filterdifferenzkurve im ausgewerteten Bereich zwischen
den betrachteten Nullstellen.
Bei einer Variante des Verfahrens wird auf Filterdifferenz-
Nulldurchgang von minus nach plus geprüft. Liegt ein solcher
vor, wird eine Kenngröße berechnet aus der Summe der Filter
differenzwerte aus einem vorgegebenen Bereich um die Null
stelle herum und als Maß für die Änderungen der Differenz
verwendet. Die Summe kann noch multiplikativ mit der Diffe
renz von Filterdifferenzmaximum und -minimum in diesem Be
reich gewichtet werden. Der Bereich kann z. B. mittig um die
Nullstelle liegen und etwa die Länge einer Nockenwellenum
drehung haben. Der Vorteil dieser Variante liegt im meist
wesentlich steileren Nulldurchgang der Filterdifferenzkurve
von minus nach plus (im Gegensatz zur umgekehrten Richtung
von plus nach minus) und demzufolge geringerer Beeinflussung
durch dynamischen Motorbetrieb und stochastische Störungen.
Die beschriebenen Verfahren stellen nichtlineare Verknüpfun
gen von aus der Filterdifferenzkurve abgeleiteten Größen
dar. Sie berücksichtigen sowohl die Signalamplitudenaus
schläge selbst, deren Minima und Maxima innerhalb eines en
gen Bereichs sowie das Verhalten der Filterdifferenzkurve im
Frequenzbereich in Form der Lage der Nullstellen. Mit ande
ren Worten: Sie basieren auf der Suche nach einer bestimmten
charakteristischen Kurvenform in dem zuvor ermittelten Si
gnalverlauf. Diese charakteristische Kurvenform ist gekenn
zeichnet durch ein Kurvenminimum < Null und ein darauffol
gendes Maximum < Null, die innerhalb einer Nockenwellenum
drehung auftreten müssen. Ergänzend ist zu bemerken, daß bei
der Filterung auf die korrekte Phasenlage der Filter zuein
ander und bezüglich der betrachteten Segment zeit mit Index n
zu achten ist. Das schnelle Filter kann bspw. durch eine
Mittelwertbildung von Segmentzeiten einer halben Nockenwel
lenumdrehung realisiert werden und das langsame Filter ent
sprechend durch eine Mittelung über einen größeren Bereich,
bspw, eine ganze, die halbe Nockenwellenumdrehung umfassende
Drehung der Nockenwelle.
Die so gebildeten Filterdifferenzwerte können alternativ vor
oder nach der Summierung mit Gewichtungsfaktoren versehen wer
den.
Als Gewichtungsfaktoren geeignet erscheinen insbesondere die
Werte der Differenz bei dem lokalen Minimum und bei dem lokalen
Maximum im Bereich der Nulldurchgänge. Diese kann ermittelt wer
den und der Unterschiedsbetrag zwischen diesen Werten kann als
Gewichtungsfaktor verwendet werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können bspw. die Werte der
Differenz oder die Werte der Gewichtungsfaktoren oder die Werte
der Differenz und der Gewichtungsfaktoren quadriert 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 Seg
mente des Geberrades einen Sensor passieren erfaßt werden,
dadurch gekennzeichnet, daß
- - die Segmentzeiten parallel einer ersten und einer zweiten Tiefpaßfilterung unterzogen werden, deren jeweilige Ausgangs signale auf Änderungen ihrer Eingangssignale unterschiedlich schnell reagieren,
- - die Differenz beider Ausgangssignale gebildet wird,
- - ein Maß für Änderungen der Differenz gebildet wird und mit einem Schwellwert verglichen wird und daß ein Überschreiten des Schwellwertes als Aussetzer gewertet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in
vorgegebener Richtung erfolgende Nulldurchgänge der Differenz
festgestellt werden, und daß das Maß für die Änderungen der Dif
ferenz auf der Basis ihres Verlaufs zwischen zwei derartigen
aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Bildung der genannten Differenz im Takt der Abfolge der Segment
zeiten erfolgt, daß die sukzessive zwischen den genannten Null
stellen aufeinanderfolgenden Werte der Differenz betragsmäßig
aufsummiert werden und daß die so gebildete Summe als Maß für
die Änderungen der Differenz verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Filterdifferenzwerte vor oder nach der Summierung mit Gewich
tungsfaktoren versehen werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Werte der Differenz bei dem lokalen Minimum und bei dem lokalen
Maximum zwischen den genannten Nulldurchgängen ermittelt werden,
daß der Unterschiedsbetrag zwischen diesen Werten ermittelt wird
und daß der Unterschiedsbetrag als Gewichtungsfaktor verwendet
wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Werte der Differenz oder die Werte der Gewich
tungsfaktoren oder die Werte der Differenz und der Gewichtungs
faktoren quadriert werden.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß als Richtung der Nulldurchgänge der Übergang
von positiven zu negativen Werten hin vorgegeben wird, wenn bei
der Bildung der Differenz der Wert des schnelleren Filters vom
Wert des langsameren Filters subtrahiert wird und daß als Rich
tung der Nulldurchgänge der Übergang von negativen zu positiven
Werten vorgegeben wird, wenn bei der Bildung der Differenz der
Wert des langsameren Filters vom Wert des schnelleren Filters
subtrahiert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein in
vorgegebener Richtung erfolgender Nulldurchgang der Differenz
festgestellt wird,
daß die Werte der Differenz aus einem vorbestimmten Bereich um die Nullstelle herum aufsummiert werden und als Maß für die Än derungen der Differenz verwendet werden.
daß die Werte der Differenz aus einem vorbestimmten Bereich um die Nullstelle herum aufsummiert werden und als Maß für die Än derungen der Differenz verwendet werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die
Werte der Differenz aus einem vorbestimmten Bereich um die Null
stelle herum aufsummiert werden, daß die Werte der Differenz bei
dem lokalen Minimum und bei dem lokalen Maximum aus diesem Be
reich ermittelt werden, daß der Unterschiedsbetrag zwischen die
sen Werten ermittelt wird und daß die aufsummierten Werte mit
dem Unterschiedsbetrag gewichtet werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,daß der
vorbestimmte Bereich etwa die während einer Nockenwellenumdre
hung gebildeten Differenzen umfaßt und die Nullstelle symme
trisch umschließt.
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