DE3516802A1 - Vorrichtung zum anzeigen von funktionsstoerungen in der betriebsweise eines motors - Google Patents
Vorrichtung zum anzeigen von funktionsstoerungen in der betriebsweise eines motorsInfo
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Description
Pfenning, Meinig & Partner
WSU-1O4-A Patentanwälte
European Patent Attorneys
Dipl.-Iny. J. Pfenning, Berlin
DipL-Phys. K. H. Meinig, München DrHng. A. Butenschön, Berlin
DipHng, J. Bergmann, München Rechtsanwalt
Mozartstr. 17
D-8000 München 2 Telefon: 089/530575-77 Telex: 186237 pmp
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Telefax: 030/8813689 (Gr 2 + 3) Telegramme: Seilwehrpatent
7. Mai 1985 Bt/schu
WAYNE STATE UNIVERSITY 1OO Antoinette, Detroit, Michigan 48202, USA
Vorrichtung zum Anzeigen von Funktionsstörungen in der Betriebsweise eines Motors
Vorrichtung zum Anzeigen von Funktionsstörungen in der Betriebsweise eines Motors
Die Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf eine Vorrichtung zur Diagnose für Motoren und
genauer auf eine Diagnosevorrichtung, die Funktionsstörungen, wie eine fehlerhafte
Verbrennung in den Zylindern einer Brennkraftmaschine feststellt.
Eine Vielzahl von Diagnosesystemen für Motoren sind entwickelt worden, um die Betriebsbedingung
einer Brennkraftmaschine zu diagnostizieren. Derartige Diagnosesysteme verwenden üblicherweise
Sensoren, die an dem Motor befestigt sind und einen vorbestimmten Winkeldrehungsbetrag eines
sich drehenden Bauteils des Motors, wie die Drehung der Kurbelwelle, abtasten. Derartige
Winkelstellungen werden im allgemeinen durch Abtasten des Vorbeilaufens eines Zahnes des
auf dem Schwungrad angeordneten Zahnrades an dem
ORiQiNAL INSPECTED
Sensor bestimmt. Das Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Zähnen wird bestimmt und
dann verarbeitet, um eine Darstellung der Betriebsbedingung des Motors vorzusehen.
Systeme unter Verwendung derartiger Meßtechniken sind in den US-PS 4 015 467, 4 016 753 und
4 055 993 offenbart. In den zwei ersten Patenten werden während der Beschleunigungsphase des
Motors gemessene Geschwindigkeitsmessungen verarbeitet, um eine Startgeschwindigkeit,
Stopgeschwindigkeit und Messungen der verstrichenen Zeit festzulegen, die verwendet
werden können, um Drehmoment- und Leistungsmessungen für den Motor vorzusehen. In dem
letzteren Patent werden die während der Beschleunigung des Motors gemessenen Zeitintervalle
verarbeitet, um Geschwindigkeitsmessungen des Motors selbst vorzusehen.
In der US-PS 4 055 993 werden Geschwindigkeitsines sungen des Motors durch Zählung der Drehung
der Zähne auf dem Schwungrad des Motors durchgeführt. Die Zeitmessungen für eine vorbestimmte
Winkeldrehung werden analysiert, um Geschwindigkeitsmessungen
für den Motor vorzusehen. Die US-PS 4 348 893 beschreibt einen Motoranalysedetektor
zur Bestimmung der Kompression eines Motors. Der Motor wird durch Ankurbeln des Motors ohne Zündung komprimiert. Änderungen
in der Geschwindigkeit während des Kompressionshubes jedes Zylinders werden mathematisch verarbeitet,
um Werte entsprechend der Kompression jedes Zylinders zu bestimmen.
ORIGINAL INö
68
In der US-PS 4 064 747 werden subzyklische Geschwindigkeitsmessungen eines Motors
durchgeführt durch Abtasten der Differenz zwischen Taktzählungen relativ zueinander,
um bestimmte dynamische Betriebsparameter des Motors festzustellen. Dieser Detektor
kann zur Feststellung des relativen Leistungsbeitrages der einzelnen Zylinder des Motors
verwendet werden.
In der US-PS 4 055 995 ist eine Motordiagnoseeinheit offenbart, die einen Beschleunigungsstoß
zwischen niedrigen und hohen Motorgeschwindigkeiten für Leistungsmessungen verwendet. Diese Messungen werden
mit folgenden Messungen verglichen, um eine Anzeige der Luftmenge im Kraftstoffeinlauf
des Motors zu bestimmen.
Die US-PS 3 972 230 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Feststellen von ungleichmäßiger
Betriebsweise einzelner Zylinder in einem Motor. Der Motor wird bei jeder geeigneten Leerlaufgeschwindigkeit betrieben
und die Leistungszyklen-Zeitperioden zwischen aufeinanderfolgenden ZundZeitpunkten werden
gemessen. Die Verzögerungsgeschwindigkeiten zwischen aufeinanderfolgenden Zeitperioden
werden dann mit den mittleren Verzögerungsgeschwindigkeiten für die entsprechenden
Zylinder berechnet. Individuelle Verzögerungsgeschwindigkeiten, die über der mittleren
Verzögerungsgeschwindigkeit für einen Zylinder liegen, werden festgestellt, um eine Anzeige
eines ungleichmäßigen Zylinderbetriebes vorzusehen.
ORIGINAL IKSPEGTED
/ft
Die in der US-PS 4 179 922 offenbarte Datenerfassungseinheit mißt aufeinanderfolgende
Kurbelwellenstellungen während der Drehung des Motors, um die Zeitdauer zwischen aufeinanderfolgenden
Kurbelwellenstellungen zu erfassen. Zeitintervallabtastungen werden erzeugt und zum Feststellen einer Funktionsstörung des Zylinders verwendet.
Die US-PS 4 295 363 beschreibt eine Vorrichtung zum Feststellen von Fehlern in den einzelnen
Zylindern eines Motors. Messungen entsprechend den Zeitabständen zwischen aufeinanderfolgende
Kurbelwellenstellungen werden ., in mindestens einem Motorzyklus abgetastet.
Ein Vergleich eines Standardmotorzyklus
mit einem folgenden Motorzyklus wird durchgeführt und das Verhältnis des Standardwertes
mit dem nachfolgenden Wert wird gebildet und mit einer Schwelle verglichen, um ein Ausgangssignal
zu bilden, das das Vorhandensein einer fehlerhaften Betriebsweise, wie niedrige Kompression oder niedrige Leistung eines
einzelnen Zylinders anzuzeigen.
In all den früher offenbarten Motordiagnosesystemen werden die Zeitintervallmessungen
während einer vorbestimmten Betriebsart des Motors genommen, wie Beschleunigung,
Verzögerung, Leerlauf und so weiter. Daher wird die Diagnose für die Betriebsbedingungen
des Motors nur in einem schmalen Bereich des gesamten Betriebsbereichs des Motors durchgeführt
und dann nur für eine kurze Zeitdauer. Deshalb waren die früher offenbarten Verfahren
zum Feststellen von Funktionsstörungen des Motors
ORIGINAL IWSF
~r
nicht immer sehr genau über den gesamten Motorbetriebsbereich.
Weiterhin sind diese früher offenbarten Motordiagnosesysteme relativ komplexem Aufbau,
wodurch Diagnosevorrichtung relativ platzaufwendig ist, wodurch sie nicht direkt in
dem Fahrzeug, wie einem Automobil, einem Lastwagen und so weiter verwendet werden kann.
Außerdem sind die Diagnosesysteme nach dem Stand der Technik insbesondere für die Verwendung
in einer Brennkraftmaschine in Automobilen und Lastwagen konstruiert worden. Solche bekannten
Diagnosesysteme wurden bisher aufgrund ihrer Begrenzungen nicht in großen Diesel- und Schiffsmotoren
ebenso wie in Brennkraftmaschinen für Flugzeuge und Züge verwendet.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Diagnoseverfahren und eine Diagnosevorrichtung
zu schaffen, die die Nachteile des Standes der Technik vermeiden und mit denen es möglich ist,
kontinuierlich den Motorbetrieb bei einer Vielzahl von Motorbetriebsbedingungen, wie Leerlauf,
Beschleunigung, Verzögerung und Reisebetrieb zu überwachen, wobei der Aufbau einfach
und raumsparend sein soll, um einen Einbau direkt in dem Fahrzeug zur kontinuierlichen
überwachung der Motorarbeitsweise zu erlauben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs
gelöst.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Anzeigen von Funktionsstörungen in
OHiCIkAL INSPECTED
der Betriebsweise eines Motors, die einen Sensor zum Abtasten eines vorbestimmten
Winkeldrehungsbetrages des Motors aufweist. Der Sensor ist in der Nähe eines sich
drehenden Teiles des Motors, wie des Schwungsrades, der Kurbelwelle oder der Nockenwelle
angeordnet.
Der Sensor erzeugt ein elektrisches Signal bei Beginn einer Rotationsperiode des Motors,
wodurch ein Zähler zum Zählen von Taktimpulsen freigegeben wird. Ein zweites Signal vom
Sensor gibt das Ende der vorbestimmten Drehung des Motors an. Eine Verarbeitungseinheit,"
wie ein Mikroprozessor, der die Funktionsweise der Vorrichtung steuert, liest und speichert
den Zählerausgang in einen Speicher. Die Zählerausgangsdaten entsprechen der Zeit, die
der Motor benötigt, um über den vorbestimmten Winkelbereich zu drehen.
Nach Vollendung der vorbestimmten Anzahl von Motorzyklen verarbeitet die Verarbeitungseinheit
die gespeicherten, bestimmten Zeiten entsprechenden Signale, indem eine diskrete Fourier-Transformation
oder eine Autokorrelation verwendet wird, um eine Darstellung des Motorbetriebszustandes
hervorzurufen. Eine Anzeigeeinheit ist mit der Verarbeitungseinheit verbunden, die eine optische
oder eine akustische Anzeige des Auftretens einer Funktionsstörung des Motors, wie mangelhafte
Verbrennung in einem oder mehreren Zylindern des Motors vorsieht.
Ein einzigartiges Verfahren zur Bestimmung und zur Anzeige einer leistungsfähigen Motorbetriebsweise
~i
χ wird auch offenbart. Das vorliegende Verfahren
umfaßt folgende Verfahrensschritte:
A. Kontinuierliches Abtasten eines vorbestimmten Winkeldrehungsbetrages des Motors;
B. kontinuierliches Bestimmen der Zeitdauer
für jeden vorbestimmten Winkeldrehungsbetrag;
C. mathematische Verarbeitung der Zeitdauer jedes vorbestimmten Winkeldrehungsbetrages;
D. kontinuierliches Hervorrufen einer Darstellung einer mangelhaften Motorbetriebsweise;und
E. kontinuierliches Anzeigen des Auftretens einer fehlerlosen Motorbetriebsweise.
Die Vorrichtung und das Verfahren zum Anzeigen von Funktionsstörungen in der Betriebsweise
eines Motors entsprechend der vorliegenden Erfindung löst viele in Zusammenhang mit
den Motordiagnoseverfahren und -vorrichtungen nach dem Stand der Technik auftretenden
Probleme insoweit, als eine ohne Schwierigkeiten
zu verwendende Anzeige des Auftretens einer Funktionsstörung, wie eine, mangelhafte
Verbrennung in einem oder mehreren Zylindern des Motors zur Verfügung gestellt wird. Die
Vorrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung nimmt eine einzigartige Benutzung
verschiedener Analysetechniken vor, wodurch eine U berwachung der Motorbetriebsweise
während allen auftretenden Motorzuständen, wie Beschleunigung, Verzögerung, Leerlauf
und Reisebetrieb möglich wird.
|£3j
-3-5-
So kann die Vorrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung zur kontinuierlichen
überwachung des Motorbetriebes bei jedweder Betriebsart des Fahrzeuges verwendet werden
und nicht nur während bestimmter Betriebsarten, wie bei Beschleunigungsstoßen, die
bei früher konstruierten Motordiagnosesystemen entsprechend dem Stand der Technik angewandt
wurden.
Weiterhin ist die Vorrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung relativ einfach
im Aufbau, so daß sie in kleiner Bauweise für die Verwendung in einem Fahrzeug vorgesehen
werden kann, ebenso wie für Brennkraftmaschinen in Schiffen, Zügen, Flugzeugen
und so weiter. Außerdem kann die Vorrichtung zum Anzeigen von Funktionsstörungen in
Zusammenhang mit unterschiedlichen Motortypen ebenso wie mit neuen oder alten Motoren
verwendet werden, wodurch ihr Anwendungsgebiet sehr viel größer ist als das der Diagnosesysteme nach dem Stand der Technik,
die nur in bestimmten Typen von Brennkraftmaschinen verwendet werden konnten.
Beispielsweise kann die Vorrichtung zum Anzeigen von Funktionsstörungen der vorliegenden
Erfindung in jeder Kolbenverbrennungsmaschine, wie Benzin odör Dieselmotoren ebenso wie
jedem Land-, See- oder Luftfahrzeug verwendet werden, um die fehlerlose oder fehlerhafte
Betriebsweise des Motors anzuzeigen.
OnIGiKAL
rZC \cD
Eine wesentliche Anwendung der Vorrichtung zum Anzeigen von Funktionsstörungen der vorliegenden
Erfindung liegt in der Einstellung des Kraftstoffmessers zu jedem Zylinder in einem Mehrzylindermotor, um die Leistungsänderung
von Zylinder zu Zylinder zu reduzieren. Dies ist insbesondere wichtig bei Maschinen, die für Schiffszwecke für
feststehende Leistungsanlagen und so weiter verwendet werden.
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild der Vorrichtung
zum Anzeigen von Funktionsstörungen entsprechend der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ein Schaltbild des Schaltkreises
zur Aufbereitung des Signals nach Fig. 1; und
Fig. 3 ein Flußdiagramm, das die Betriebsweise der Zentraleinheit darstellt.
In der folgenden Beschreibung und in der Zeichnung werden in allen Ausführungsbeispielen
für die gleichen Teile die gleichen Bezugszeichen gewählt.
Wie allgemein in der Zeichnung dargestellt, betrifft die Erfindung eine Vorrichtung 10
zum Anzeigen der Fehler und Mangel eines Motors, die Funktionsstörungen feststellt und anzeigt,
'original inspected
wie beispielsweise eine mangelhafte Verbrennung in einem oder mehreren Zylindern einer Brennkraftmaschine
.
Wie näher in den Fig. 1 und 2 dargestellt, kann die Vorrichtung zum Anzeigen der Mängel
und Fehler eines Motors 10 nach der vorliegenden Erfindung mit jeder Brennkraftmaschine
12 verwendet werden, die individuell in einer Vielzahl von Zylindern angeordnete
hin- und hergehende Kolben aufweist. Die Vorrichtung 10 kann mit jedem Motortyp
verwendet werden, wie Diesel, Benzin und so weiter, ebenso wie in jeder Art von Fahrzeug,
wie Automobil, Lastwagen, Schiff, Flugzeug, Zug und so weiter.
Der Motor 12 umfaßt ein durch die Kolben angetriebenes Drehelement, das beispielsweise
eine Kurbelwelle 13 sein kann, die mit einer vorbestimmten Anzahl von Umdrehungen pro
Motorzyklus rotiert. Zusätzlich zu der Kurbelwelle sind andere drehbare Bauteile des
Motors 12 einschließlich der nicht dargestellten Nockenwelle vorgesehen, oder ein
Schwungrad 14, das auf dem Ende der Kurb elwelle gelagert ist.
Die Vorrichtung 10 umfaßt eine Abtasteinheit, die eine vorbestimmte Winkeldrehung des Motors
abtastet. Wie oben angeführt·,werden für die vorbestimmte Anzahl beispielsweise zwei Umdrehungen
in einem Viertaktmotor oder eine Umdrehung in einem Zweitaktmotor für einen Motorzyklus verlangt. Daher wird der Motor
während jedes Zyklus einer Viertaktmaschine eine
ORIGINAL !NGPECTED
Drehung von 720° und einer Zweitaktmaschine eine Drehung von 360° vornehmen.
Ein Sensor 16 ist an dem Motor 12 nahe eines rotierenden Bauteiles, wie dem Schwungrad 14,
der Kurbelwelle 13 oder der Nockenwelle angeordnet. In einem Ausführungsbeispiel
ist der Sensor 16 nahe dem Schwungrad 14 angeordnet und tastet jeden Zahn eines auf
dem Schwungrad vorgesehenen Zahnrades ab. Als Alternative kann der Sensor 16 benachbart
zur Kurbelwelle 13 oder Nockenwelle gelagert sein, um vorbestimmte Winkeldrehungen dieser
Bauteile des Motors 12 zu erfassen.
In einem Ausführungsb eispiel weist der Sensor einen magnetischen Aufnehmer, eine Fotozelle
und so weiter auf. Der Sensor 16 fühlt das Vorbeigehen jedes Zahnes auf dem Schwungrad
ab und erzeugt ein Signal für jeden vorbeigehenden Zahn. Alternativ zu dem magnetischen
Aufnehmer oder der lichtempfindliche Zelle kann der Sensor ein Kodierteil aufweisen, das
ein Signal bei dem Auftreten einer vorbestimmten Anzahl von Winkeldrehungen des Motors 12
abgibt.
Das Ausgangssignal des Sensors 16 wird einem geeigneten Schaltkreis 18 zur Signalaufbereitung
zugeführt, der näher in Fig. 2 dargestellt ist.
Der Schaltkreis zur Signalaufbereitung weist einen ersten Verstärker 20 auf, der als Puffer
zur Trennung der Signale dient. Das Ausgangssignal des ersten Verstärkers 20 wird einem
Wandlerverstärker 22 zugeführt, der die Ausgangsinipulse
des Verstärkers 20 in Rechteckimpulse
JJ'
Xl
umwandelt. Das Ausgangssignal des Wandlerverstärkers 22 wird der Basis eines Transistors
24 zugeführt, der als Puffer zum Trennen des Wandlerverstärkers 22 von dem übrigen
Schaltkreis 10 dient.
Das Ausgangssignal des Transistors 24 wird dem Eingang eines Zählers 26 zugeführt.
Der Zähler 26 ist vorzugsweise in der Weise ausgeführt, daß er sowohl einen Zählschaltkreis
als auch ein Halteregister zum vorübergehenden Speichern der Zähldaten während der nachfolgenden
Zählperiode aufweist. Wenn der Zähler freigegeben ist, zählt er die Eingangsimpulse. Nach dem Vollenden einer Zählperiode
werden die Zähldaten in das Halteregister übertragen und der Zähler wird für die nächste
Zählperiode freigegeben. Die übrigen Komponenten der Vorrichtung 10 umfassen einen Taktgeber
28, einen Speicher 30 und eine Zentraleinheit 32. .Der Zähler 26, der Taktgeber 28, der
Speicher 30 und die Zentraleinheit 32 sind mit einem üblichen Mehrfachbus 34 untereinander
verbunden, der einen parallelen bidirektionalen Daten- und Signalfluß erlaubt.
Der Zähler 26 erhält als Eingangssignal das Ausgangssignal des Schaltkreises 18 zur
Signalaufbereitung, das einem Signal vom Sensor 16 entspricht und bezeichnend für eine vorbestimmte Anzahl von Winkeldrehungen
des Motors 12 ist, wie durch das Vorbeigehen eines Zahnes auf dem Schwungrad des Motors an dem Sensor 16 vorbei
realisiert ist. Das Eingangssignal aktiviert den Zähler 26 für den Zählvorgang.
ORlGIMAL
Ao
' l3'
Der Zähler 26 zählt dann Taktimpulse von dem Taktgeber 28 bei der Taktfrequenz. In einem
bevorzugten Ausführungs heispiel Hat der Taktgeber eine Frequenz von 4MHz, wobei allerdings
auch andere Frequenzen verwendet werden können.
Der Speicher 30 kann als üblicher Festwertspeicher und/oder als Lese/Schreibspeicher
ausgebildet sein. Ein Festwertspeicher kann zum Speichern des durch die Zentraleinheit 32
ausgeführten Steuerprogramms verwendet werden. Ein Lese/Schreibspeicher oder RAM wird zur
Speicherung von während des Betriebes der Vorrichtung 10 erzeugten Daten verwendet.
Die zentrale Einheit 32 kann jede Art von Computer umfassen. Vorzugsweise wird ein
Mikroprozessor aufgrund einer kleinen Größe und der geringen Kosten verwendet.
Weiterhin umfaßt die Vorrichtung 10 eine durch die Zentraleinheit 32 angesteuerte
Anzeigeeinheit 36. Die Anzeigeeinheit 36 kann jede beliebige übliche optische und/oder
akustische Anzeigeeinheit sein, beispielsweise eine Lampe, ein Bildschirm, ein Summer und
so weiter. Mit der Anzeigeeinheit 36 wird das Auftreten einer Fehlfunktion des Motors
angezeigt.
Die Funktionsweise der Vorrichtung zur Anzeige der Mangel und Fehler eines Motors durch Feststellen
der Funktionsstörungen, wie eine mangelhafte Verbrennung in eine:n oder mehreren
Zylindern des Motors 12, wird im folgenden in Zusammenhang mit Fig. 3 erläutert.
ORtGlNAL INSPECTED
35 1B802
Beim Feststellen einer Funktionsstörung des Motors führt die Zentraleinheit 32 ein in
dem Speicher 30 gespeichertes erstes Programm durch. Bei jedweder Betriebsweise des Motors,
wie Leerlauf, Betrieb bei vorgegebener Last und Geschwindigkeit,führt die Zentraleinheit
32 dieses erste Programm durch und initialisiert die Interrupt-(Unterbrechungs-) und Zählprogramme.
Die Vorrichtung ist anfänglich für eine vorbestiirante Anzahl von Abtastproben
programmiert. Beispielsweise, wenn das Schwungrad 14 138 Zähne aufweist und der Motor 12
zur Durchführung eines Motorzyklus zwei Umdrehungen benötigt, kann die Vorrichtung in der Weise
programmiert sein, daß sie Impulse über sieben vollständige Motorzyklen mit 1932 getrennten
Signalen abführt. Allerdings kann jede beliebige Größe des Abfühlelementes verwendet werden,
wobei mit einer größeren Größe des Abfühlelementes im allgemeinen genauere Daten
erreicht werden können.
Die Zentraleinheit 32 ist unterbrochen angesteuert, d.h. das Verarbeiten der Daten wird
bei Abfühlen einer Unterbrechung vorgenommen, die durch ein Signal von dem Sensor 16
erzeugt wird, der das Vorbeiführen eines Zahnes des Schwungrades 14 an dem Sensor 16
anzeigt.
Wenn das erste Signal von dem Sensor 16 erhalten wird, geht die Zentraleinheit 32 in den Unterbrechungszustand
und gibt den Zähler 26 zur Zählung der Impulse des Taktgebers 28 frei. Wenn das nächste Signal von dem Sensor 16 auftritt,
das angibt, daß eine vorbestimmte Größe
ORtGiNAL INSPECTED
so
einer Winkeldrehung vorgenommen wurde, wie durch das Vorübergehen des nächsten Zahnes
des Schwungrades 14 an dem Sensor 16, so wird die Zentraleinheit 32 die gespeicherte
Zählinformation weiterverarbeiten. Wenn das Signal vom Sensor empfangen wird, so wird
die gespeicherte Zählinformation in das interne Halteregister des Zählers 26 übertragen
und der Zähler wird für das Zählen der nächsten Taktgeberimpulse freigegeben.
Die der Anzahl von Taktgeberimpulsen während
einer vorbestimmten Periode der Motorumdrehung in dem Zähler 26 gespeicherten Daten beziehen
sich auf x(k) oder der Übergangszeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zähnen auf dem
Schwungrad 14. Die Zentraleinheit 32 liest die Daten des Halteregisters in dem Zähler
26 und speichert, die Daten in dem Speicher 30. Nach der Vollendung der gesamten Anzahl
von Zyklen wird die Zentraleinheit 32 die Unterbrechung und die Enddurchführung des ersten in dem Speicher 30 gespeicherten
Programms sperren.
Die gespeicherten Zeitfolgesignale beziehen sich auf die momentane Winkelgeschwindigkeit
des Motors 12. Bei Veränderungen der Zeitsignale wird daher die momentane Winkelgeschwindigkeit
des Motors während jeder Periode der Winkeldrehung der Maschine abhä-ngig von den Betriebsbedingungen verändern.
Nach dem Durchführen einer vorbestimmten Anzahl von Motorzyklen werden die gespeicherten Daten
oder Zeiten zwischen aufeinanderfolgenden Zähnen
L INSPECTED
68
auf dem Schwungrad 14 analysiert. Ein zweites in dem Speicher 30 gespeichertes Programm
wird dann durch die Zentraleinheit 32 durchgeführt. Zwei bevorzugte Analysevorgänge
werden im folgenden beschrieben, wobei auch andere statistische und Signalverarbeitungstechniken
verwendet werden können. Derartige Analysevorgänge umfassen eine diskrete Fourier-Transformation
der Zeitfolgesignale und eine Autokorrelationsanalyse.
Die diskrete Fourier-Transformation der Zeitfolge signale x(k) wird gebildet durch:
N-I
X(k)e
-2JTA (kn/N) , n«0, 1, ... , N-I
k=0
wobei N die Anzahl der Abtastwerte ist.
Es wurde gefunden,daß die Grundfrequenz der diskreten Fourier-Transformation dem Motorzyklus
entspricht und daß die n-te harmonische der Zündfrequenz eines Motors mit N Zylindern entspricht.
Es kann eine Unterscheidung zwischen der normalen und falschen Betriebsweise des
Motors gemacht werden, indem verschiedene Parameter betrachtet werden, wie beispielsweise
ein Verhältnistest mit R-X(I) /X(m) oder
ein Differenzvergleich D=X (1) - X (m), wobei m sich auf die Anzahl der Zylinder
in dem Motor bezieht. Es ist möglich, Bereiche für den Verhältnis- und den Differenzvergleichstest
entsprechend einer fehlerhaften und einer gesunden Motorbetriebsweise anzugeben.
ORIGINAL !NSFE?CTED
Beispielsweise vermitteln die bei dem obigen Analysen-Vorgang verwendeten Daten, daß ein
Verhältnis größer als eins oder eine Differenz größer als Null eine falsche Betriebsweise
des Motors angeben, d.h. eine Fehlerfunktion,
wie beispielsweise eine mangelhafte Motorverbrennung in einem der Zylinder des
Motors.
Die Zentraleinheit 32 kann für derartige Bereiche programmiert sein, um dadurch ein
Signal zur Aktivierung der Anzeigeeinheit 36 zu erzeugen und eine Anzeige der fehlerlosen
Betriebsweise oder des Mangels durch eine Fehlerfunktion des Motors anzuzeigen.
15
Ein anderer möglicher Analaysevorgang ist mit "Autokorrelation" bezeichnet und ist
wie folqt definiert:
AC I l N-1
N VAR 2 (X(k) " MEAN) <X(k "
k=0
• O, 1, ... , N-I
/
wobei N die Anzahl der Abtastungen in einem
Motorzyklus und MEAN und VAR das Mittel und
die Varianz der Abtastungen wie folgt sind:
MEAN =- V X(k) VAR=J Σ (X(k) - MKAN)
ORiGIKAL INSFSCTEQ
Es wurde gefunden, daß eine fehlerlose und saubere Motorfunktion angegeben ist, wenn
alle Maxima für / größer als Null ungefähr bei dem gleichen Niveau oder Wert liegen.
Andererseits ist die Hillkurve eines fehlerhaften Motors eine monoton abfallende Funktion. In
dem obigen Beispiel von einem Schwungrad mit 138 Zähnen muß der Autokorrelation nur für
/ac (T^) 7" = 46, 92 und 138 J gerechnet werden.
Es ist offensichtlich, daß bei einem Motor mit einer unterschiedlichen Anzahl von Zylindern
oder einem Schwungrad mit einer unterschiedlichen Anzahl von Zähnen unterschiedliche Maxima-Werte
auftreten. Bei der Verwendung dieser Autokorrelationsanalyse kann die Zentraleinheit
32 das Auftreten einer abfallenden Maxima-Funktion abtasten und die Anzeigeeinheit 36 steuert
zur Anzeige der fehlerlosenoder fehlerhaften Betriebsweise, die durch das Auftreten einer
Fehlerfunktion in einem oder mehreren Zylindern ausgelöst werden kann.
Das zweite gespeicherte Programm kann die beiden oben beschriebenen Analysevorgänge umfassen,
um eine diskrete Fourier-Transformation oder eine Autokorrelationsanalyse hinsichtlich
der gespeicherten Zeitintervallsignale durchzuführen und wenn das Auftreten einer fehlerhaften
Motoroperation festgestellt wird, so wird der
jeweils andere Analysenvorgang der Zeitintervallsignale durchgeführt, um das Vorhandensein
der fehlerhaften Motorbetriebsweise zu bestätigen. Diese Mehrfaahanalyse kann automatisch durch das
zweite gespeicherte Programm durchgeführt werden oder kann durch von dem Fahrer des Fahrzeuges
oder des Motors gesteuerte Schalter aktiviert werden,
OBiQiNAL INSPECTED
um, wenn gewünscht, den zweiten Test durchzuführen.
In der Beschreibung wurde eine einzigartige Vorrichtung zur Anzeige der Mangel und Fehler
offenbart, die eine Anzeige der fehlerfreien Betriebsweise oder der mangelhaften Betriebsweise
eines Motors anzeigt, die durch das Auftreten einer Funktionsstörung des Motors bedingt ist, wie fehlerhafte Verbrennung
in einem oder mehreren Zylindern einer Brennkraftmaschine. Die Vorrichtung weist
eine minimale Anzahl von Bauelementen mit geringen Herstellungskosten auf und kann
in einer relativ kleinen Größe aufgebaut werden, so daß sie direkt in einem Fahrzeug zur
kontinuierlichen Auswertung der Motorfunktion verwendet werden kann.
Claims (14)
1. Vorrichtung zum Anzeigen von Funktionsstörungen in der Betriebsweise eines Motors,
gekennzeichn et durch eine Abtasteinheit (16) zur kontinuierlichen Abtastung eines vorbestimmten
Winkeldrehungsbetrages eines Motors, auf die Abtasteinheit ansprechende Mittel
zur kontinuierlichen Bestimmung der Zeitperiode jedes vorbestimmten WinkeIdrehungsbetrages
des Motors, eine auf die Mittel zur Bestimmung der Zeitperiode ansprechende Verarbeitungseinheit (32) zur kontinuierlichen
Erzeugung einer Darstellung der fehlerlosen und fehlerhaften Betriebsweise des Motors und eine Anzeigeeinheit, die
mit der Verarbeitungseinheit verbunden ist und kontinuierlich die fehlerlose oder
fehlerhafte Betriebsweise des Motors anzeigt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtasteinheit (16)
den vorbestimmten Winkeldrehungsbetrag eines sich drehenden Bauteils des Motors abtastet.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das sich drehende Bauteil
das Schwungrad (14) des Motors ist, das eine Vielzahl von auf dem Umfang angeordneten
Zähnen aufweist, und daß die Abtasteinheit (16) das Vorbeilaufen jedes Zahnes an der Abtasteinheit abtastet.
10
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Feststellung
der Zeitperiode einen Zähler (26) mit einem Eingang und einen Taktgeber (28) umfassen,
der mit dem Eingang des Zählers (26) verbunden ist, und daß das Ausgangssignal der Abtasteirtheit (16) dem Zähler (26)
einmal für jeden vorbestimmten Winkeldrehungsbetrag des Motors freigibt, wobei der Zähler einen der Zeitperiode jedes
vorbestimmten Winkeldrehungsbetrages entsprechenden Zählinhalt speichert.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungseinheit
erste gespeicherte Programmittel zur Berechnung der Zeitperiode jedes vorbestimmten
Winkeldrehungsbetrages des Motors aufweist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungseinheit
zweite gespeicherte Programmittel zur Berechnung einer Darstellung der fehlerhaften
oder fehlerlosen Betriebsweise des Motors aufweist, wobei die Verarbeitungseinheit
die Anzeigeeinheit auf die Berechnung einer Darstellung der fehlerhaften oder fehlerlose Betriebsweise des Motors aktiviert.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite gespeicherte
Programm die diskrete Fourier-Transformation der Zeitperioden berechnet.
35
!NSFECTED
8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite gespeicherte
Programm die Autokorrelation der Zeitperioden berechnet.
9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite gespeicherte
Programm die diskrete Fourier-Transformation und die Autokorrelation der Zeitperioden
berechnet.
10. Verfahren zur Bestimmung und zum Anzeigen von Funktionsstörungen in der Betriebsweise
eines Motors, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
kontinuierliches Abtasten eines vorbestimmten Winkeldrehungsbetrages des Motors,
kontinuierliches Bestimmen der Zeitperiode jedes vorbestimmten Winkeldrehungsbetrages
des Motors,
mathematisches Berechnen der Zeitperiode jedes vorbestimmten Winkeldrehungsbetrages
des Motors,
kontinuierliches Erzeugen einer Darstellung der fehlerhaften und fehlerlosen Betriebsweise
des Motors, und
kontinuierliches Darstellen der fehlerlosen und fehlerhaften Betriebsweise des Motors,
die durch das Auftreten einer Funktionsstörung bewirkt wird.
TEJ
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der mathematischen
Berechnung der Zeitperiode jedes vorbestimmten Winkeldrehungsbetrages die Berechnung der diskreten Fourier-Transformation
der Zeitperioden für jeden vorbestimmten Winkeldrehungsbetrag des Motors entsprechend:
X(n)
■* ü
X(k)e"
umfaßt.
12. Verfahren nach Anspruch 11,dadurch gekennzeichnet,
daß ein Verhältnistest entsprechend R=X (1)/X(n) mit den diskreten Fourier-Trans
formationswerten durchgeführt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Differenztest entsprechend
D = X (1) - X(n) mit den diskreten Fourier-Transformationswerten
berechnet wird.
14. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die mathematische Verarbeitung
der Zeitperiode jedes vorbestimmten Winkeldrehungsbetrages weiterhin den Schritt
der Berechnung einer Autokorrelation entsprechend :
. 1
VAR
(X(k) - MEAN) (XIk +"J\) -
?■ = 0, 1,
N-1
ORIGINAL INSPECTED
umfaßt, wobei N die Anzahl der Abtastungen in einem Motorzyklus und MEAN und VAR
das Mittel und die Varianz der Abtastungen entsprechend:
MEAN = 1 fe1 X IK) VAH = i £' (X(K)
N Hb N K =
sind. IO
ORIGiNAU INSPECTED
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