DE19641916A1 - Verfahren zur Verbrennungsaussetzererkennung durch Auswertung von Drehzahlschwankungen - Google Patents

Description

Stand der Technik

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.

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.

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.