DE19803157C2 - Vorrichtung zur Bestimmung der Ölmenge und/oder des Ölzustandes in einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Bestimmung der Ölmenge und/oder des Ölzustandes in einer Brennkraftmaschine.

Es ist ein Verfahren bekannt (JP-A-463906), bei dem in einen Ölvorratsbehälter eine Ultraschallquelle eingebracht ist. Weiterhin sind in dem Ölvorratsbehälter zwei Elektroden vorhanden. Das Öl in dem Ölvorratsbehälter wird durch die Ultraschallquelle in Schwingungen versetzt. Der spezifische elektrische Widerstand des Öles wird mittels zweier Elektroden gemessen und einer Auswertungseinheit zugeführt, in der auf den Zustand des Öles geschlossen wird.

Es ist weiterhin bekannt, den Ölzustand zu erfassen durch eine Messung der Dielektrizitätskonstanten des Öles (DE 41 31 969 C2, DE 34 13 135 A1). Eine Verschlechterung des Ölzustandes soll dabei erkannt werden durch eine Auswertung der Änderung der Dielektrizitätskonstanten.

Demgegenüber ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung vorzuschlagen, bei der der Ölstand und/oder die Ölmenge mit möglichst geringem messtechnischen Aufwand hinreichend genau bestimmt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst, wonach das Signal eines Körperschallsensors auswertbar ist unter Verwendung eines neuronalen Netzwerkes, wobei das neuronale Netzwerk trainierbar ist unter Verwendung von gemessenen Körperschallsignalen mit zugehörigen Parametern, die die Ölmenge und/oder den Ölzustand repräsentieren, wobei anschließend die Ölmenge und/oder der Ölzustand aus dem gemessenen Körperschall unter Verwendung des trainierten neuronalen Netzes ableitbar ist und wobei der Körperschallsensor gleichzeitig als Klopfsensor verwendet wird.

Dabei erweist es sich als vorteilhaft, dass mittels des Einsatzes der neuronalen Netzwerke der Zustand sowie die Menge des Öles einer Brennkraftmaschine ermittelt werden kann aus den vergleichsweise einfach messbaren Körperschallsignalen. Es hat sich dabei überraschenderweise gezeigt, dass Ölzustand und Ölmenge den Körperschall des Ölvorratsbehälters derart charakteristisch beeinflussen, dass mittels des Einsatzes der neuronalen Netze eine Auswertung des Ölzustandes und der Ölmenge möglich ist trotz der vergleichsweise dicken Behälterwände.

Ebenso wird der Körperschall der Brennkraftmaschine durch den Ölzustand und die Ölmenge charakteristisch beeinflusst durch den mit der Brennkraftmaschine verbundenen Ölvorratsbehälter.

Vorteilhaft wird weiterhin der Körperschallsensor gleichzeitig als Klopfsensor verwendet. Dabei ist zwar ein Kompromiss notwendig zwischen dem optimalen Anbringungsort für die Erkennung des Klopfens und dem optimalen Anbringungsort für die Erkennung des Ölzustandes bzw der Ölmenge, es erweist sich aber als vorteilhaft, dass nur ein Sensor vorhanden sein muss, so dass der Bauteileaufwand minimiert werden kann. Es wird also ein Sensor eingespart gegenüber einer Ausführung, bei der sowohl ein Körperschallsensor als auch ein separater Klopfsensor vorhanden ist.

Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 2 ist der Körperschallsensor außen am Ölvorratsbehälter angebracht.

Besonders vorteilhaft ergibt sich aufgrund der Anbringung des Körperschallsensors außen am Ölvorratsbehälter, dass dort der deutlichste Signalpegel zu erwarten ist, der im Zusammenhang mit dem Einfluss des Ölzustandes bzw. der Ölmenge auf den Körperschall zu erwarten ist. Gleichzeitig können bei dem Sensor Probleme vermieden werden, weil sich dieser nicht im Öl befindet.

Bei der Ausgestaltung der Vorrichtung nach Anspruch 3 sind mehrere Körperschallsensoren vorhanden.

Damit ist eine genauere Signalerfassung möglich, falls das notwendig ist.

Bei der Ausgestaltung der Vorrichtung nach Anspruch 4 sind die Körperschallsignale zur Auswertung mittels des neuronalen Netzes in den Zeit-/Frequenzbereich transformierbar.

Dadurch sind die Körperschallsignale vergleichsweise einfach zu verarbeiten. Die Transformation in den Zeit-Frequenzbereich ermöglicht eine Analyse, zu welchen Zeitpunkten charakteristische Frequenzen auftreten. Die Zeiten können beispielsweise mit den Zündzeitpunkten der einzelnen Zylinder oder mit bestimmten Kurbelwellenpositionen korreliert werden. Für die weitere Auswertung können also relevante Frequenzen auch im Zusammenhang mit deren zeitlichem Auftreten ausgewählt werden.

Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 5 ist das Körperschallsignal vorverarbeitbar.

Insbesondere bei einem in den Frequenzbereich transformierten Körperschallsignal lassen sich Frequenzanteile herausfiltern, die mit der Messung des Ölzustandes bzw. der Ölmenge nichts zu tun haben. Dies betrifft beispielsweise Frequenzen, die aufgrund des Betriebes von Nebenaggregaten auftreten. Diese Frequenzanteile können mit einer Hoch- bzw. Tiefpassfilterung oder einer Bandpassfilterung herausgefiltert werden.

Bei der Ausgestaltung der Vorrichtung nach Anspruch 6 sind als Eingangsgrößen des neuronalen Netzes neben den Körperschallsignalen wenigstens eine der Größen Öltemperatur und/oder Motordrehzahl verwendbar.

Die Öltemperatur hat wesentlichen Einfluss auf die Viskosität des Öles und damit auch den Einfluss des Öles auf den Körperschall. Ebenso gilt dies für die Motordrehzahl, die im wesentlichen die Förderrate des Öles aus dem Vorratsbehälter/Ölsumpf bestimmt. Zudem sorgt diese Drehzahl für die Anregung des Öles, die als Körperschall messbar ist.

Bei der Ausgestaltung der Vorrichtung nach Anspruch 7 ist eine Anregung mittels einer Schallquelle vornehmbar ist.

Dabei erweist es sich als vorteilhaft, dass die Anregungsfrequenz bzw. die Anregungsfrequenzen bekannt sind. In diesem Fall ist eine vergleichsweise einfache Filterung möglich, indem gerade diese Frequenzen ausgewertet werden.

Durch die Erfassung des Ölstandes kann beispielsweise festgestellt werden, wie viel Öl nachgefüllt werden muss und wie viel Öl vom Fahrer bereits nachgefüllt worden ist. Durch eine Überwachung des Ölzustandes können Wartungsintervalle, in denen ein Ölwechsel vorzunehmen ist, genau an den Zustand des Öles angepasst werden. Es wird also sichergestellt, dass das Öl nicht zu alt wird, wobei andererseits überflüssige, weil zu vorzeitige Ölwechsel vermieden werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung näher dargestellt. Es zeigt dabei im einzelnen:

Fig. 1: eine Darstellung einer Vorgehensweise zum Verarbeiten von Lerndaten durch das neuronale Netz,

Fig. 2: eine Prinzipdarstellung geeigneter Sensorpositionen an einer Brennkraftmaschine,

Fig. 1 zeigt die Darstellung eines Blockschaltbildes, in dem das neuronale Netz zuerst in einem Schritt 101 mit Trainingsdaten trainiert wird.

In dem Schritt 102 wird eine Überprüfung mit Daten vorgenommen, um die Fehlergrenze des neuronalen Netzes zu überprüfen. Diese Überprüfung des Netzes wird vorzugsweise mit unbekannten Trainingsdaten durchgeführt. Dadurch kann vorteilhaft festgestellt werden, ob die Fehlergrenze erreicht ist. Der Fehler kann beispielsweise so definiert werden, daß die gemessene Ausgangsgröße mit der aufgrund des neuronalen Netzes ermittelten Ausgangsgröße verglichen wird, indem die Differenz dieser beiden Werte gebildet wird. Es kann beispielsweise eine Bewertung des Fehlers anhand der Summe der Fehlerquadrate vorgenommen werden.

In dem Schritt 103 wird das neuronale Netz verwendet, um aus aktuell gemessenen Eingangsgrößen die Ausgangsgrößen abzuleiten.

Es hat sich dabei als vorteilhaft erwiesen, ein neuronales Netz vom feedforward-Typ zu verwenden. Bei diesem Netztyp wird der Aufwand der Verarbeitung der Daten in Grenzen gehalten, wobei dennoch eine gute Genauigkeit der Ausgangsergebnisse erreichbar ist.

Für das Training des neuronalen Netzes hat sich ein Backpropagation-Lernverfahren als zweckmäßig erwiesen, weil durch dieses überwachte Lernen der Fehler mit vertretbarem Verarbeitungsaufwand minimiert werden kann. Als weitere Lernverfahren eignen sich beispielsweise ein Gradienten-Verfahren mit einem Momentum-Term oder die Levenberg- Marquardt-Optimierung.

Die Ausgangsgrößen stellen relevante Größen dar, die den Ölzustand und/oder die Ölmenge einer Brennkraftmaschine repräsentieren. Die Eingangsgrößen sind Körperschallsignale, die gegebenenfalls mit anderen relevanten Größen kombiniert werden können, die Einfluß auf das Geräuschverhalten des Öles haben. Diese relevanten Größen können beispielsweise die Öltemperatur sein, die Einfluß auf die Viskosität des Öles hat oder auch die Viskosität direkt. Ebenso kann die Motordrehzahl mit bei den Eingangsgrößen sein, da die Motordrehzahl unmittelbar Einfluß auf die geförderte Ölmenge und damit auf die Schallanregung des Öles hat.

Die Körperschallsensoren können im wesentlichen als piezoelektrische Elemente ausgebildet sein, die auf Druckunterschiede mit einer Änderung der Polarisationsspannung reagieren. Entsprechend dem anliegenden Druck ändert sich also die Ausgangsspannung des piezoelektrischen Elementes, wobei die piezoelektrischen Elemente Druckschwankungen mit einer sehr kurzen Zeitkonstanten, d. h. einer hohen zeitlichen Auflösung, wiedergeben.

Fig. 2 zeigt geeignete Positionen zur Anbringung der Körperschallsensoren 201 an dem Ölvorratsbehälter 203 oder auch an dem Motorblock 202. Wird der Körperschallsensor 201 am Motorblock 202 angebracht, kann dieser gleichzeitig als Klopfsensor verwendet werden.

Eine bessere Signalauflösung zeigt sich, wenn der Körperschallsensor 201 am Ölvorratsbehälter 203, d. h. an der Ölwanne angebracht ist. Dabei ist auch im Hinblick auf mögliche Störgeräusche ein räumlicher Abstand eingehalten zu Nebenaggregaten wie beispielsweise der Wasserpumpe, der Lichtmaschine, dem Kompressor der Klimaanlage oder ähnlichem. Dies gilt ebenso für mögliche Nebengeräusche der Nockenwelle, Zündkerzen oder ähnlichem.

Gegebenenfalls (abhängig vom Brennkraftmaschinentyp) kann es zweckmäßig sein, mehrere Körperschallsensoren 201 vorzusehen.

Es hat sich eine Netztopologie des neuronalen Netzes mit einer verdeckten Schicht und etwa 5 bis 10 Neuronen in der verdeckten Schicht als geeignet erwiesen.

Mit der in Fig. 2 gezeigten Anordnung kann eine Auswertung erfolgen, indem als Anregung für das Körperschallsignal nur die Brennkraftmaschine mit der Verbrennung verwendet wird. Die Brennkraftmaschine regt durch ihre Verbrennung und durch die Kolbenbewegung den Motorblock an, der mit Öl gefüllt ist. Dies gilt insbesondere für den Ölvorratsbehälter (Ölwanne). Dieser gefüllte Ölvorratsbehälter hat ein Frequenzverhalten, das zu einem großen Teil von der Füllhöhe und der Qualität des Motorenöles abhängt.

Die Anregungen werden mit wenigstens einem Körperschallsensor 201 erfaßt, der an dem Ölvorratsbehälter 203 oder am Motorblock 202 angebracht ist. Da dieses Signal noch vergleichsweise viele Störgrößen enthält, werden durch eine geeignete Bandpaß- bzw. Tiefpaßfilterung die störenden Frequenzen von den Nebenaggregaten und der Verbrennung herausgefiltert. Falls notwendig können die Frequenzanteile, die im wesentlichen durch die Verbrennung beeinflußt werden, durch eine geeignete Fensterung des Signales umgangen werden.

Diese vorverarbeiteten Körperschallsignale sowie gegebenenfalls weitere Eingangssignale wie beispielsweise die Öltemperatur, die Motordrehzahl oder ähnliche Größen werden als Eingangsgrößen in das neuronale Netz eingegeben. Als Ausgang des Netzes wird die Ölmenge/der Ölstand und/oder ein oder mehrere Parameter angegeben, die den Ölzustand beschreiben.

Die Öltemperatur ist als Eingangsgröße insofern vorteilhaft, als das Übertragungsverhalten von Öl abhängig von der Temperatur ist. In der Lernphase müssen als Eingangsgrößen des Netzes genügend Daten vorliegen, um das Übertragungsverhalten des Motorenöles über dem gesamten Betriebszustand der Brennkraftmaschine bzw. die für das Lösungsverfahren relevanten Fahrzustände zu erhalten. Insbesondere das Öl, welches sich nach dem Abstellen der Brennkraftmaschine nicht im Ölvorratsbehälter befindet, jedoch im Motorraum vorhanden ist, muß einmal meßtechnisch (oder modellhaft) erfaßt werden. Dabei müssen insbesondere genügend Daten vorhanden sein, die das Übertragungsverhalten bei typischen Ölalterungs- und Ölverschleißformen in ggf. zu definierenden Betriebszuständen wiedergeben.

In der anschließenden Recall-Phase kann mittels des trainierten neuronalen Netzes und entsprechenden Eingangsdaten die Ölmenge und/oder der Ölzustand aus dem aktuell gemessenen Körperschall ermittelt werden.

Entsprechend der Darstellung der Fig. 2 ist es auch möglich, eine Schallquelle 204 vorzusehen, die vorteilhaft an dem Ölvorratsbehälter 203 bzw. in dem Ölvorratsbehälter angebracht ist. Weiterhin ist wenigstens ein Körperschallsensor 201 vorhanden. Die Schallquelle 204 dient in diesem Fall als Anregung. Dabei erweist es sich als vorteilhaft, daß die Anregung mit einer definierten Frequenz bzw. mit einem definierten Frequenzspektrum erfolgt und daß das Übertragungsverhalten des Systems (mit Öl gefüllter Ölvorratsbehälter bzw. Motorblock) auf die Anregungsfrequenz bzw. die Anregungsfrequenzen untersucht werden kann.

Eine Überprüfung mittels der Schallquelle 204 kann beispielsweise erfolgen beim Schlüsselstart (Zündung EIN bevor die Brennkraftmaschine gestartet wird). Der Vorteil liegt hier darin, daß die Anzahl der Störgrößen geringer ist, da noch keine Aggregate und auch die Brennkraftmaschine selbst noch nicht in Betrieb sind.

Eine Überwachung während des laufenden Betriebes mit der Schallquelle 204 könnte eventuell problematisch sein. Dies läßt sich aber durch eine Verbindung der beiden beschriebenen Verfahren lösen.

Ein mögliches kombiniertes Verfahren sieht folgendermaßen aus:
Vor der ersten Verbrennung wird das "aktive" Verfahren, d. h. die Auswertung mit der Schallquelle, verwendet und beim Betrieb der Brennkraftmaschine das "passive" Verfahren, bei dem die Anregung wesentlich durch die Motordrehung bewirkt wird. Es kann beim Betrieb der Brennkraftmaschine auch ein Verfahren angewendet werden, das aus einer Mischung der Auswertung der Frequenzanteile der in Betrieb befindlichen Schallquelle und anderer Frequenzanteile besteht, die aufgrund des Betriebes der Brennkraftmaschine vorliegen.

Um der Verwendung unterschiedlicher Ölsorten Rechnung zu tragen, kann es zweckmäßig sein, eine Möglichkeit vorzusehen, mit dem dem neuronalen Netz ein Signal als Eingangssignal zugeführt wird, wenn Öl nachgefüllt wird und/oder wenn Öl gewechselt wird. Das neuronale Netz kann dann im Wege eines " adaptiven Nachtrainierens" die gelernten Zusammenhänge über das Auftreten charakteristischer Frequenzen adaptieren auf den aktuell vorliegenden Zustand, der als Zustand optimaler Ölqualität und richtiger Ölmenge unterstellt wird. Beispielsweise kann bei den gelernten Daten für den Zustand "neu eingefülltes Öl" ein bestimmtes Frequenzspektrum vorkommen, das gegenüber dem in der genannten Situation verschoben ist. Eventuelle Frequenzänderungen bei einer Alterung des Öles oder beim Verbrauch des Öles haben dann einen anderen "Ausgangspunkt".

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Bestimmung der Ölmenge und/oder des Ölzustandes in einer Brennkraftmaschine,
dadurch gekennzeichnet, dass das Signal eines Körperschallsensors (201) auswertbar ist unter Verwendung eines neuronalen Netzwerkes, wobei das neuronale Netzwerk trainierbar ist unter Verwendung von gemessenen Körperschallsignalen mit zugehörigen Parametern, die die Ölmenge und/oder den Ölzustand repräsentieren (101), wobei anschließend die Ölmenge und/oder der Ölzustand aus dem gemessenen Körperschall unter Verwendung des trainierten neuronalen Netzes ableitbar ist (103), und
dass der Körperschallsensor (201) gleichzeitig als Klopfsensor verwendet wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Körperschallsensor (201) außen am Ölvorratsbehälter (203) angebracht ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Körperschallsensoren (201) vorhanden sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Körperschallsignale zur Auswertung mittels des neuronalen Netzes in den Zeit-/Frequenzbereich transformierbar sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Körperschallsignal vorverarbeitbar ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Eingangsgrößen des neuronalen Netzes neben den Körperschallsignalen wenigstens eine der Größen Öltemperatur und/oder Motordrehzahl verwendbar ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anregung mittels einer Schallquelle (204) vornehmbar ist.