DE19727004A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erkennung von Zündaussetzern einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zur Erkennung von Zündaussetzern einer Brennkraftmaschine durch Erfassung des Ionenstromsignals, wobei das Ionen­ stromsignal über einen vorgegebenen Zeitraum ab Entladung der Zündkerze erfaßt, über der Zeit integriert, das Maximum des integrierten Signals mit einem drehzahl- und lastabhängigen Schwellenwert verglichen und ein Fehler­ signal ausgegeben wird, wenn der Schwellenwert nicht überschritten wird.

Aufgrund amerikanischer Bundesgesetze ist die Erkennung von abgasrelevanten Größen einer Verbrennungsmaschine mit fahrzeugeigenen Mitteln zwingend vorgeschrieben (On Board Diagnosis, OBD).

Unter anderem müssen auch Verbrennungsaussetzer mit fahrzeugeigenen Mitteln erkannt werden. Hierfür existie­ ren die unterschiedlichsten Verfahren.

Es ist beispielsweise bekannt, Verbrennungsaussetzer durch Auswerten der Kurbelwellen-Lauf(un)ruhe auszuwer­ ten. Hierzu werden die Schwankungen der Kurbelwellen-Winkel­ geschwindigkeit während einer oder mehrerer Nockenwellendrehungen verwendet. Durch Verbrennungsaus­ setzer in einem oder auch mehreren Zylindern fehlt das antreibende Drehmoment, die Winkelgeschwindigkeit nimmt hierdurch wegen des unverändert anliegenden Antriebs­ moments ab. Nachfolgende reguläre Verbrennungen be­ schleunigen die Kurbelwelle wieder. Die Schwankungen der Winkelgeschwindigkeit sind umso ausgeprägter, je niederer die Motordrehzahl und je höher die Motorlast ist. Problematisch bei diesem Verfahren ist es, daß beispiels­ weise das Aussetzen aller Zylinder schlecht erkennbar ist, da sich dieser Fehler wie ein beabsichtigter Übergang in den Schubbetrieb auswirkt. In diesem Falle nimmt die Kurbelwellen-Winkelgeschwindigkeit gleichförmig ab. Das Verfahren Verbrennungsaussetzer durch Schwankun­ gen der Drehzahl zu erkennen, ist darüber hinaus un­ geeignet bei hohen Drehzahlen der Brennkraftmaschine, wenn diese mit einer geringen Motorlast verbunden sind.

Des weiteren sind Verfahren bekannt, Verbrennungsaus­ setzer über die Auswertung des Brennraumdrucks zu erfassen. Durch die Verbrennung entsteht in den Zylindern der Brennkraftmaschine ein Druckanstieg. Dieser Druck kann durch einen Sensor detektiert und als Maß für eine ordnungsgemäße Verbrennung herangezogen werden.

Problematisch bei diesem Verfahren ist, daß pro Zylinder jeweils ein zusätzlicher Sensor erforderlich ist, der nicht nur eine frühzeitige Berücksichtigung bei der Konstruktion der Brennkraftmaschine erfordert, sondern insbesondere auch zusätzliche Kosten verursacht.

Darüber hinaus sind die eingangs erwähnten Verfahren zur Erkennung von Verbrennungsaussetzern einer Brennkraftma­ schine durch Erfassung des Ionenstromsignals bekannt.

Vorteilhaft bei diesen Verfahren ist, daß sie keine zusätzliche Sensorik erfordern und daß das die Ver­ brennungsaussetzer erfassende Merkmal unmittelbar aus dem Verbrennungsvorgang abgeleitet werden kann. Bei diesen Verfahren wird das Ionenstromsignal entweder direkt oder nach einer Zeitintegration mit einem vorgegebenen Schwellenwert verglichen und immer dann, wenn der Schwellenwert nicht überschritten wird, ein Fehlersignal ausgegeben. Bei diesen Verfahren ist es problematisch, daß kleinere Änderungen des Ionenstromsignals nur schlecht erkannt werden können und daher aus diesem Grunde in Extremfällen ein Fehler signalisiert werden kann, obwohl gar keine Verbrennungsaussetzer vorliegen.

Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn dem durch einen Verbrennungsvorgang hervorgerufenen Ionenstromsignal ein verhältnismäßig großes Offsetsignal überlagert ist, so daß das eigentliche, von der Verbrennung hervorgerufene Ionenstromsignal nur mit großen Schwierigkeiten von dem Offsetsignal getrennt werden kann. Probleme ergeben sich auch bei "flachen", das heißt wenig ausgeprägten Signal­ verläufen. Bei der Integration von beispielsweise mit einem hohen Offset behafteten Signalen können durch Integration des Offsetsignals, zusammen mit dem eigentli­ ch zu detektierenden Signal Verbrennungsaussetzer unter Umständen nicht präzise erkannt werden, da das Integral eines sehr großen Offsetsignals größer als der vor­ gegebene Schwellenwert sein kann und insoweit eine ordnungsgemäße Verbrennung fälschlich angenommen wird.

Aufgrund sehr großer Streuungen des Ionenstromsignals ist es nicht praktikabel, von vornherein eine gewisse Offsetgröße von dem eigentlichen Meßsignal abzuziehen.

Derartige Verfahren zur Erkennung von Verbrennungsaus­ setzern durch Erfassung des Ionenstromsignals stellen daher hohe Anforderungen an die Auswertung des Signals. Dies insbesondere auch deshalb, weil die Ionenstromsi­ gnale im Vergleich z. B. mit dem Zündstrom sehr klein sind und auch insoweit Störungen auftreten können.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erkennung von Verbrennungsaussetzern einer Brennkraftmaschine der gattungsgemäßen Art derart zu verbessern, daß eine präzise Erkennung von Verbrennungs­ aussetzern auch bei kleinen, mit einem flachen Verlauf und mit einem verhältnismäßig großen, schwankenden Offset behafteten Ionenstromsignalen möglich ist.

Vorteile der Erfindung

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Erkennung von Verbrennungsaussetzern einer Brennkraftmaschine durch Erfassung des Ionenstromsignals der eingangs beschriebe­ nen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Integra­ tion mit einer auf zuvor erfaßte Ionenstromsignale angepaßten Wichtungsfunktionen zeitlich gewichtet durchgeführt wird.

Durch die Wichtungsfunktion werden physikalisch bedingte, teilweise motorunabhängige Eigenschaften des Ionen­ stromsignals auf besonders vorteilhafte Weise zur Erhöhung der Meßgenauigkeit berücksichtigt.

Vorteilhafterweise ist vorgesehen, daß der Offset des Ionenstromsignals erfaßt und aus dem gewichtet integrier­ ten Signal eliminiert wird.

Hinsichtlich der Ermittlung des Schwellenwerts sind rein prinzipiell die unterschiedlichsten Ausführungsformen denkbar.

Bei einer vorteilhaften Ausfürungsform ist vorgesehen, daß der Schwellenwert kontinuierlich abhängig von der Drehzahl und dem Lastsignal der Brennkraftmaschine ermittelt wird.

Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, daß der Schwellenwert in einem Kennfeld abge­ legt wird, dessen unabhängige Parameter die Drehzahl und das Lastsignal der Brennkraftmaschine sind.

Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erkennung von Verbrennungsaussetzern einer Brennkraftmaschine zu vermitteln, welche eine zuverlässige Erkennung von Verbrennungsaussetzern auch bei kleinen und wenig ausgeprägten Ionenstromsignalen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Erkennung von Verbrennungsaussetzern einer Brennkraftmaschine umfassend eine Einrichtung zur Erfassung des Ionenstroms, eine Ionenstromverarbeitungseinrichtung, eine Einrichtung zur Bildung eines Schwellenwerts aus der Drehzahl und dem Lastsignal der Brennkraftmaschine, einen Komparator, welcher das verarbeitete Ionenstromsignal mit dem Schwellenwert vergleicht und eine Steuereinheit, welche einen Vergleich nur in einem vorgegebenen Zeitfenster ermöglicht, gelöst, bei der erfindungsgemäß die Ionen­ stromverarbeitungseinrichtung ein matched-filter, das an die physikalisch bedingten und/oder die schaltungs­ technisch verursachten Eigenschaften des Ionenstromsi­ gnals angepaßt ist, ein diesem parallelgeschaltetes Filter, welches den Offset des Ionenstroms eliminiert, und einen beiden Filtern nachgeschalteten Maximalwert­ bildner umfaßt.

Hinsichtlich der Ausbildung des matched-filters sind rein prinzipiell die unterschiedlichsten Ausführungsformen denkbar. Eine vorteilhafte, insbesondere auch besonders einfach als integrierte Schaltung ausführbare Ausfüh­ rungsform sieht vor, daß das matched-filter ein Bandpaß­ filter mit einstellbaren Parametern ist.

Vorteilhafterweise ist die gesamte Vorrichtung Teil einer integrierten Schaltung, beispielsweise einer Motor­ steuerung.

Zeichnung

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegen­ stand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichneri­ schen Darstellung einiger Ausführungsbeispiele.

In der Figur ist schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erkennung von Zündaussetzern einer Brennkraftmaschine dargestellt.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Erkennung von Zündaussetzern einer (nicht dargestellten) Brenn­ kraftmaschine, dargestellt in der Figur, umfaßt eine an sich bekannte (nicht dargestellte) Einrichtung zur Erfassung des Ionenstroms, welche ein Ionenstromsignal ausgibt. Dieser Einrichtung zur Erfassung des Ionenstroms ist eine Ionenstromverarbeitungseinrichtung 10 nach­ geschaltet.

Die Vorrichtung umfaßt ferner eine Einrichtung 20 zur Bildung eines Schwellenwertes s_io aus der Drehzahl nmot und dem Lastsignal rl der Brennkraftmaschine. Die Einrichtung zur Bildung des Schwellenwerts s_io bildet aus der Drehzahl nmot, dem Lastsignal rl und weiteren Konstanten a0, a1, a2 auf an sich bekannte Weise einen Schwellenwert s_io, der genauso wie das die Ionenstrom­ verarbeitungseinrichtung 10 verlassende Ionenstromsignal einem Komparator 30 zugeführt wird, welcher das ver­ arbeitete Ionenstromsignal mit dem Schwellenwert s_io vergleicht.

Ferner ist eine Steuereinheit 40 vorgesehen, welche einen Vergleich nur in einem vorgegebenen Zeitfenster, nämlich in einem vorgegebenen Zeitraum ab der Entladung der Zündkerze ermöglicht. Der Steuereinheit 40 wird ein Schließwinkelsignal sowie die Drehzahl nmot der Brenn­ kraftmaschine zugeführt, aus welchen sie auf an sich bekannte Weise den Anfang und das Ende dieses Zeitfen­ sters ermittelt.

Statt der in der Figur dargestellten Einrichtung zur Bildung eines Schwellenwerts s_io aus der Drehzahl nmot und dem Lastsignal rl der Brennkraftmaschine kann bei einem anderen (nicht dargestellten) Ausführungsbeispiel auch ein Kennfeld verwendet werden, dessen unabhängige Variablen die Drehzahl nmot und das Lastsignal rl sind und dessen abhängige Variable der Schwellenwert s_io ist.

Die Ionenstromverarbeitungseinheit 10 umfaßt ein matched­ filter 11, das an die physikalisch bedingten Eigen­ schaften des Ionenstromsignals und die Einrichtung zur Erfassung des Ionenstroms angepaßt ist. Diesem matched­ filter 11 parallelgeschaltet ist ein Filter, welches den Offset des Ionenstromsignals eliminiert, beispielsweise wie dargestellt subtrahiert oder auch durch mehrfache Differentiationen und Integrationen oder auf andere geeignete Weise eliminiert. Dem matched-filter 11 und dem Filter 12 ist ein Maximalwertbildner 13 nachgeschaltet, welcher den Maximalwert des mit Hilfe des matched-filters 11 und des Filters 12 verarbeiteten Ionenstromsignals ermittelt.

Wie durch den Schalter 41 angedeutet ist, wird das die Ionenstromverarbeitungseinheit 10 verlassende Signal immer dann mit dem Schwellenwert s_io in dem Komparator 30 verglichen, wenn die durch die Steuereinheit 40 erfaßten Randbedingungen erfüllt sind. Diese sind - wie oben erwähnt - innerhalb eines vorgegebenen Zeitfensters, das von der Steuereinheit 40 erkannt wird und einen vor­ gegebenen Zeitraum ab der Entladung der Zündkerze umfaßt, erfüllt.

Das matched-filter 11 kann beispielsweise ein Bandpaßfil­ ter mit einstellbaren Parametern sein.

Das Verfahren zur Erkennung von Verbrennungsaussetzern einer Brennkraftmaschine durch Erfassung des Ionen­ stromsignals wird am besten anhand der in der Figur dargestellten Vorrichtung erläutert. Das von der Ein­ richtung zur Erfassung des Ionenstroms ausgegebene Ionenstromsignal wird der Ionenstromverarbeitungsein­ richtung 10 zugeführt. In dieser wird in einem matched­ filter 11 eine Zeitintegration des Ionenstromsignals mit einer auf zuvor erfaßte Ionenstromsignale angepaßten Wichtungsfunktion durchgeführt. Die gewichtete Zeitinte­ gration kann beispielsweise eine geeignete Faltung des Ionenstromsignals mit einer auf zuvor erfaßte Ionen­ stromsignale angepaßten Faltungsfunktion sein. Simultan hierzu wird ein gegebenenfalls vorhandener Offset des Ionenstromsignals durch das Filter 12 eliminiert und anschließend in einem Maximalwertbildner 13 das Maximum des so verarbeiteten Ionenstromsignals gebildet und gespeichert.

Gleichzeitig hierzu wird aus der Drehzahl nmot und dem Lastsignal rl in der Einrichtung 20 zur Bildung des Schwellenwerts der Schwellenwert s_io ermittelt. Dabei wird die Drehzahl nmot mit einer Konstanten a1 und das Lastsignal rl mit einer Konstanten a2 in jeweils einem Multiplizierer 21 und 22 multipliziert und die multipli­ zierten Größen mit einer weiteren Konstanten a0 weiter­ verarbeitet zu dem Schwellenwert s_io. Sowohl das durch die Ionenstromsignalverarbeitungseinrichtung 10 ver­ arbeitete Ionenstromsignal als auch der Schwellenwert s_io werden einem Komparator 30 zugeführt.

Ein Vergleich findet jedoch immer nur dann statt, wenn durch die Steuereinheit 40, der die Schließwinkelstellung und die Drehzahl nmot der Brennkraftmaschine zugeführt werden, ein Schalter 41 geschlossen wird. Der Schalter 41 wird in einem vorgegebenen Zeitraum ab der Entladung der Zündkerze geschlossen, d. h. mit anderen Worten, der Vergleich findet lediglich in einem vorgegebenen Zeitfen­ ster statt, in dem dem Ionenstromsignal beispielsweise nicht der Zündstrom oder andere Störeinflüsse überlagert sind.

Durch die beschriebene Vorrichtung und das beschriebene Verfahren ist es möglich, Verbrennungsaussetzer mit Hilfe des Ionenstromeffektes in allen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine zuverlässig zu erkennen.

Von besonderem Vorteil ist es auch, daß die gesamte Vorrichtung entweder in kostengünstiger Weise in Motor­ steuerungen integrierbar ist oder als kostengünstiges Zusatzteil realisiert werden kann. Insbesondere kann die ganze Vorrichtung und ganz besonders auch das matched­ filter 11 und das Filter für den Offset 12 als eine oder mehrere integrierte Schaltungen ausgeführt sein.

Claims (7)

1. Verfahren zur Erkennung von Verbrennungaussetzern einer Brennkraftmaschine durch Erfassung des Ionen­ stromsignals, wobei das Ionenstromsignal über einen vorgegebenen Zeitraum ab Entladung der Zündkerze erfaßt, über der Zeit integriert, das Maximum des integrierten Signals mit einem drehzahl- und last­ abhängigen Schwellenwert (s_io) verglichen und ein Fehlersignal ausgegeben wird, wenn der Schwellenwert (s_io) nicht überschritten wird, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Integration mit einer auf zuvor erfaßte Ionenstromsignale angepaßten Wichtungs­ funktion zeitlich gewichtet durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Offset des Ionenstromsignals erfaßt und aus dem gewichtet integrierten Signal eliminiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schwellenwert (s_io) kontinuier­ lich abhängig von der Drehzahl (nmot) und dem Lastsignal (rl) der Brennkraftmaschine ermittelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schwellenwert (s_io) in einem Kennfeld abgelegt wird, dessen unabhängige Parameter die Drehzahl (nmot) und das Lastsignal (rl) der Brennkraftmaschine sind.

5. Vorrichtung zur Erkennung von Zündaussetzern einer Brennkraftmaschine umfassend eine Einrichtung zur Erfassung des Ionenstroms, eine Ionenstromverarbei­ tungseinrichtung (10), eine Einrichtung (20) zur Bildung des Schwellenwerts (s_io) aus der Drehzahl (nmot) und dem Lastsignal (rl) der Brennkraftmaschi­ ne, einen Komparator (30) , welcher das verarbeitete Ionenstromsignal mit dem Schwellenwert (s_io) ver­ gleicht, und eine Steuereinheit (40), welche einen Vergleich nur in einem vorgegebenen Zeitfenster ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionen­ stromverarbeitungseinrichtung (20) ein matched­ filter (11), das an die physikalisch bedingten und/oder die schaltungstechnisch verursachten Eigen­ schaften des Ionenstromsignals angepaßt ist, ein diesem parallelgeschaltetes Filter (12), welches den Offset des Ionenstroms eliminiert, und einen beiden Filtern (11, 12) nachgeschalteten Maximalwertbildner (13) umfaßt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das matched-filter (12) ein Bandpaßfilter mit einstellbaren Parametern ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sie Teil einer integrierten Schaltung ist.