DE4002208A1 - Verfahren zum erkennen von verbrennungsaussetzern bei einem motor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen von Verbren­ nungsaussetzern bei einem Motor. Bei Motoren mit Katalysator ist es wichtig, derartige Aussetzer zu erkennen, da sie zur Folge haben, daß unverbranntes Luft/Kraftstoff-Gemisch in den Kataly­ sator gelangt und dort verbrennt. Dies kann zu so starkem Erhit­ zen des Katalysators führen, daß dieser zerstört wird und u. U. sogar das betroffene Kraftfahrzeug in Brand gesetzt wird. Um dies zu vermeiden, wird beim Erkennen von Verbrennungsaussetzern der Motor außer Betrieb gesetzt, oder es wird zumindest seine Leistung reduziert. Verfahren, die nach dem Erkennen von Verbren­ nungsaussetzern ergriffen werden, sind jedoch nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Stand der Technik

Verfahren zum Erkennen von Verbrennungsaussetzern sind in zahl­ reichen Varianten bekannt. Die zuverlässigsten Verfahren sind die, bei denen der Verbrennungsdruck im Zylinder oder Lichter­ scheinungen im Zylinder überwacht werden. Diese Verfahren haben jedoch den Nachteil, daß spezielle teure Sensoren erforderlich sind.

Ebenfalls hohe Aussagekraft haben Verfahren, bei denen das kor­ rekte Auftreten von Zündsignalen überwacht wird. Tritt ein Feh­ ler in einem Zündsignal auf, ist dies das Zeichen dafür, daß ein Verbrennungsaussetzer folgen wird. Nachteilig bei derartigen Verfahren ist, daß spezielle Analogschaltungen zum Überwachen der Zündsignale erforderlich sind und daß nicht alle Arten von Verbrennungsaussetzern erfaßt werden.

Ohne spezielle Sensoren und ohne spezielle Analogschaltungen kom­ men Verfahren aus, die aus Winkelgeschwindigkeitsänderungen der Kurbelwelle auf Verbrennungsaussetzer schließen. Bei derartigen Verfahren besteht jedoch der Nachteil, daß die Winkelgeschwindig­ keit nicht nur vom Verbrennungsverhalten der Gemische in den Zy­ lindern abhängt, sondern auch von überlagerten Schwingungen und Fremdkräften, die von der Fahrbahn über die Antriebsräder und den Antriebsstrang auf die Kurbelwelle übertragen werden.

Es besteht demgemäß das Problem, ein einfaches aber dennoch mög­ lichst zuverlässiges Verfahren zum Erkennen von Verbrennungsaus­ setzern bei einem Motor anzugeben.

Darstellung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Erkennen von Verbrennungsaus­ setzern bei einem Motor ist durch folgende Merkmale gekennzeich­ net:

• - das Lambdasignal einer Lambdasonde wird gemessen,
• - die Amplitude desjenigen Signalanteils wird bestimmt, der die Frequenz der Nockenwelle aufweist,
• - aufeinanderfolgende Amplitudenwerte werden gleitend gemittelt,
• - und dann, wenn der gleitende Mittelwert einen Schwellenwert übersteigt, wird auf das Vorliegen von Aussetzern erkannt.

Dieses Verfahren nutzt eine an Bezinmotoraggregaten ohnehin vor­ handene Sonde, nämlich die Lambdasonde. An dieser Sonde kommt es zu Spannungseinbrüchen, wenn aufgrund von Verbrennungsaussetzern unverbranntes Gemisch, und damit Gas mit einem höheren Sauer­ stoffanteil als normal, an ihr vorbeistreicht. Wenn ein Zylinder Verbrennungsaussetzer zeigt, treten derartige Aussetzer mit der Frequenz der Nockenwelle auf, und mit entsprechender Frequenz zeigt die Spannung der Lambdasonde Einbrüche. Derartige Ein­ brüche werden nicht durch äußere Effekte beeinflußt, so daß es ein recht zuverlässiges Verfahren darstellt, über diese Ein­ brüche Verbrennungsaussetzer zu erkennen.

Die Spannungsschwingung mit der Frequenz der Nockenwelle läßt sich auf verschiedene Arten aus der ohnehin vorhandenen Regel­ schwingung der Sondenspannung ausfiltern. Eine Möglichkeit be­ steht darin, einen analogen Hochpaß zu verwenden. Dabei muß je­ doch dessen Grenzfrequenz in Abhängigkeit von der Nockenwellen­ frequenz, also der Motordrehzahl, nachgeführt werden. Eine andere Möglichkeit zum Ausfiltern besteht mit Hilfe eines digitalen Hochpasses. Die Grenzfrequenz läßt sich hierbei einfach nach­ führen, jedoch muß sehr häufig abgetastet werden, was Rechenzeit in Anspruch nimmt, die dann für andere Prozesse nicht zur Verfü­ gung steht. Besonders vorteilhaft ist ein digitales Verfahren, wie es in Patentanspruch 2 beschrieben wird. Bei diesem Verfah­ ren werden der Minimalwert und der Maximalwert der Sondenspan­ nung für jeweils 720° Kurbelwinkel erfaßt, und verschiedene Mit­ tel- und Differenzwerte werden gebildet. Dies wird weiter unten in der Beschreibung im Detail erläutert.

Anstatt die Spannungssignale der Lambdasonde unmittelbar zu verarbeiten, kann auch zunächst ein Umrechnen in Lambdawerte mit Hilfe einer Kennlinie erfolgen.

Zeichnung

Fig. 1 Flußdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens zum Erken­ nen von Verbrennungsaussetzern, wobei zwischen zwei Marken A und B derjenige Signalanteil eines Lambda­ sondensignals berechnet wird, der die Frequenz der Nockenwelle aufweist;

Fig. 2 Flußdiagramm mit einem bevorzugten Berechnungsablauf zwischen den Marken A und B in Fig. 1;

Fig. 3 Diagramm der Spannung einer Lambdasonde, aufgetragen über der Zeit, mit einem Anfangsbereich, in dem die Spannung nur mit der Frequenz der Regelschwingung vari­ iert, und einem anschließenden Bereich, in dem der Regelschwingung sich ändernde Signalanteile mit der Frequenz der Nockenwelle überlagert sind; und

Fig. 4 vergrößerte Darstellung auf dem Diagramm von Fig. 3 zum Erläutern des Berechnungsablaufs gemäß dem Fluß­ diagramm von Fig. 2.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Beim Verfahren gemäß dem Flußdiagramm von Fig. 1 wird nach dem Start des Verfahrens in einem Schritt s1 das Spannungssignal von einer Lambdasonde gemessen. Dies erfolgt in vorgegebenen Zeitab­ ständen, z. B. jede Millisekunde. In einem folgenden Schritt s2 wird die gemessene Spannung in den zugehörigen Lambdawert umge­ rechnet. Nach einer Marke A folgt dann ein Schritt s3, in dem die Amplitude desjenigen Lambdawert-Signalanteils bestimmt wird, der die Nockenwellenfrequenz aufweist. Diese beträgt bei 3000 U/min 25 Hz. Die durch die Lambdaregelung verursachte Schwingung der Sondenspannung weist demgegenüber bei der ge­ nannten Drehzahl eine Frequenz von etwa 2 Hz auf.

In einem Schritt s4 werden die bestimmten Amplitudenwerte glei­ tend gemittelt, und in einem Schritt s5 (nach einer zwischenlie­ genden Marke B) wird untersucht, ob der Mittelwert über einem vorgegebenen Schwellenwert liegt. Ist dies nicht der Fall, wird davon ausgegangen, daß keine Verbrennungsaussetzer vorliegen, woraufhin das Ende des Verfahrens erreicht wird. Liegt der Mit­ telwert dagegen über der Schwelle, werden in einem Schritt s6 Warn- und Schutzmaßnahmen ergriffen. Z. B. wird eine Warnlampe zum Aufleuchten gebracht, ein Summton wird erzeugt, und die Leistung des Motors wird begrenzt. Es kann auch die Lambdarege­ lung abgeschaltet werden, und der Motor wird so gesteuert, daß er nur noch mageres Gemisch erhält. Nach Schritt s6 wird wiederum das Ende des Verfahrens erreicht.

Wurde das Verfahren nach Schritt s5 beendet, da keine Aussetzer vorlagen, wird es in relativ kurzen Zeitabständen wieder aufge­ rufen und abgearbeitet. Wurde das Ende dagegen über Schritt s6 erreicht, wird der Ablauf nur in größeren Zeitabständen, z. B. in Zeitabständen von einigen Minuten wiederholt, um zu überprü­ fen, ob noch Aussetzer vorliegen oder ob der Mangel, der die Aus­ setzer hervorgerufen hat, eine Heilung erfahren hat. Um unter­ scheiden zu können, ob das Verfahrensende über Schritt s6 er­ reicht wurde oder nicht, wird in Schritt s6 zweckmäßigerweise eine Flagge gesetzt, die erst dann wieder rückgesetzt wird, wenn ein erneuter Ablauf des Verfahrens ergeben hat, daß keine Aus­ setzer mehr vorliegen.

Wie im Abschnitt betreffend die Darstellung der Erfindung erläu­ tert, kann die Amplitude des Signalanteils mit der Nockenwellen­ frequenz auf verschiedene Art und Weise bestimmt werden. Fig. 2 zeigt einen Ablauf, wie er für diesen Zweck bevorzugt ist. Der Ablauf ist ein Beispiel für einen Detailablauf zwischen den Mar­ ken A und B in Fig. 1.

In einem Schritt s3′ werden für jeweils 720° Kurbelwinkel - ge­ messen ab einer beliebigen Marke - der Maximalwert max und der Minimalwert min der Sondenspannung UL gemessen. Es wird die Dif­ ferenz diff der zugehörigen Lambdawerte max und min gebildet, und der Mittelwert m = (max+min)/2 wird berechnet. Von die­ sem Mittelwert wird der im vorigen Zyklus errechnete Mittel­ wert m_alt abgezogen. Der Betrag dm dieser Differenz wird von der Differenz diff abgezogen. Diese Größe gilt als Amplituden­ wert für Signale mit der Nockenwellenfrequenz.

In einem Schritt s4′ werden die Amplitudenwerte nach folgender Formel gleitend gemittelt:

MW_ = k×MW_A_alt + (1-k)×A,

wobei MW_A_alt der im vorigen Rechenschritt erhaltene Mittelwert ist und k ein Filterfaktor < 1 ist, vorzugsweise etwa 0,9-0,95.

Der Sinn dieses Rechenablaufs wird nun anhand der Fig. 3 und 4 erläutert.

Fig. 3 zeigt den zeitlichen Verlauf des Spannungssignals von einer Lambdasonde. Das Signal zeigt eine Regelschwingung mit einer Frequenz von z. B. 2 Hz bei einer Drehzahl von etwa 3000 U/min. Der Spannungspegel variiert innerhalb der Schwingung zwischen einem Bereich um etwa 750 mV (fett) und einem Bereich von etwa 200 mV (mager). Welche Spannungsbereiche konkret bei den Schwingungen erreicht werden, hängt insbesondere vom jewei­ ligen Sondentyp ab. Kommt es zu Aussetzern, streicht an der Lambdasonde in einem Zeittakt, der der Nockenwellenfrequenz ent­ spricht, unverbranntes Gemisch vorbei, also Gemisch mit einem relativ hohen Sauerstoffanteil. Dies führt dazu, daß die von der Lambdasonde abgegebene Spannung einbricht. Besonders ausgeprägt sind diese Einbrüche im Übergangsbereich zwischen fett und mager, da in diesem Bereich die Sonde bei kleinen Lambdaänderungen große Spannungsänderungen aufweist.

Wie erläutert, soll die Amplitude der Schwingungen mit der Nockenwellenfrequenz erfaßt werden. Dies ist relativ einfach in denjenigen Bereichen des in Fig. 3 dargestellten Signalverlaufs, in denen sich das allein durch die Regelschwingung verursachte Signal zeitlich kaum ändert. In den Bereichen, in denen jedoch der Signalpegel auch ohne überlagerte Spannungseinbrüche stark ansteigt oder abfällt, würde ein erheblicher Unterschied zwischen Minimal- und Maximalwert der Spannung innerhalb einer Zeitspanne, die der Nockenwellenfrequenz entspricht, vorliegen. Die Ampli­ tude des Signals mit der Nockenwellenfrequenz kann daher nicht einfach durch Feststellen von Minimalwert und Maximalwert des Sondensignals innerhalb eines Kurbelwinkelbereichs von 720° festgestellt werden. Es muß vielmehr derjenige Betrag von der Differenz zwischen Minimalwert und Maximalwert abgezogen wer­ den, der durch die Signaländerung aufgrund der Regelschwingung verursacht ist. Wie dies erfolgt, wird durch Fig. 4 veranschau­ licht.

In Fig. 4 ist als gestrichelte Gerade derjenige Verlauf der Son­ denspannung eingezeichnet, wie er bei bloßer Regelschwingung in einem Bereich beim Übergang von mager nach fett vorliegt. Diesem Verlauf sind Spannungseinbrüche überlagert, die mit einem zeit­ lichen Abstand entsprechend 720° Kurbelwinkel auftreten, nämlich immer dann, wenn Gas von einem Zylinder mit Verbrennungsausset­ zern an der Sonde vorbeistreicht. In Fig. 4 sind gleichbeabstan­ dete vertikale Striche eingezeichnet, die die Zeitpunkte dar­ stellen, zu denen eine Marke anzeigt, daß sich die Nockenwelle jeweils einmal gedreht hat, daß also ein Kurbelwinkel von 720° überstrichen worden ist. In Fig. 4 sind diese Zeitmarken so ein­ gezeichnet, daß sie kurz vor den jeweiligen Maximalwerten der Schwingung des Sondensignals liegen. Die Lage der Marken kann jedoch beliebig sein.

Die Schnittpunkte von zwei aufeinanderfolgenden Zeitmarken mit der Geraden in Fig. 4 sind mit min_o und max_o bezeichnet. Es sind der Minimalwert und der Maximalwert, wie sie ohne Spannungs­ einbrüche erhalten würden. Minimal- und Maximalwert der tatsäch­ lichen Schwingung zwischen zwei Zeitmarken sind dagegen mit max_m und min_m gekennzeichnet. Nun entspricht jedoch die Ampli­ tude des durch die Aussetzer verursachten Signalanteils nicht der Differenz zwischen Maximal- und Minimalwert, sondern die Amplitude ist etwas geringer. Dies, weil der Maximalwert aufgrund des ohnehin wegen der Regelschwingung vorhandenen Anstiegs des Lambdasignals erhöht ist. Der Maximalwert muß also um denjenigen Betrag erniedrigt werden, der durch die Signaländerung aufgrund der Regelschwingung verursacht ist. Um zu berechnen, wie stark diese durch die Regelschwingung verursachte Erhöhung ist, wird der Mittelwert des Sondensignals (max+min)/2 gebildet. Der Unterschied dm zur entsprechend gebildeten Differenz für die vorige Schwingung entspricht dem durch die Regelschwingung ver­ ursachten Anstieg.

Nun ist es allerdings so, daß der Differenzbetrag dm für die Änderung der Regelschwingung über 720° Kurbelwinkel gilt. Der gemessene Minimalwert min_m und der Maximalwert max_m liegen jedoch beim dargestellten Beispiel um weniger als 360° Kurbel­ winkel auseinander. Daher dürfte nur ein entsprechender Anteil des Differenzbetrages dm abgezogen werden. Nun ist es jedoch so, daß auch andere winkelmäßige Abstandsverhältnisse zwischen Mini­ mal- und Maximalwert auftreten können, nämlich dann, wenn der Minimalwert einer neuen Schwingung über dem Maximalwert der vori­ gen Schwingung liegt. Da jedoch beim beschriebenen Verfahren nicht untersucht wird, wie eine Schwingung innerhalb eines je­ weiligen Bereichs von 720° liegt und wie sie in diesem Bereich verläuft, wird immer der volle Differenzbetrag dm von der Diffe­ renz zwischen Maximal- und Minimalwert abgezogen. Dies hat den Vorteil, daß der Differenzbetrag niemals größer ausfallen kann, als er tatsächlich ist. Dadurch wird vermieden, daß es zu Aus­ setzererkennung aufgrund von Fehlkompensation der durch die Regelschwingung verursachten Signaländerungen kommt.

Für den Signalverlauf in einem Bereich, in dem ein Übergang von fett nach mager vorliegt, in dem also die Sondenspannung mit zunehmender Zeit fällt, gelten die obigen Ausführungen entspre­ chend.

Um Einzeleffekte bei der Messung auszuschließen und um Fehler in der Kompensation auszumitteln, wie sie insbesondere in Übergangs­ bereichen des Sondensignals (ansteigend nach waagrecht, waag­ recht nach abfallend, abfallend nach waagrecht und waagrecht nach ansteigend) auftreten, erfolgt die anhand von Schritt s3′ erläuterte gleitende Mittelwertbildung.

Ein gleitender Mittelwert kann auch dadurch gebildet werden, daß nicht unmittelbar Amplituden gemittelt werden und dann ein Ver­ gleich mit einem Schwellenwert erfolgt, sondern daß sogleich jede Amplitude mit einem Schwellenwert verglichen wird, dann aber ge­ zählt wird, wie oft der Wert innerhalb einer drehzahlabhängigen Zeitspanne überschritten wird. Überschreitet der Zählwert einen vorgegebenen Wert, ist dies das Zeichen, daß Verbrennungsaus­ setzer vorliegen.

Im Verfahrensablauf gemäß Fig. 1 ist Schritt s2 des Umrechnens von Spannungswerten in Lambdawerte enthalten. Es könnten auch unmittelbar die Sondenspannungen für die weiteren Berechnungen verwendet werden. Es bestehen dann folgende Unterschiede.

Wie anhand von Fig. 3 ausgeführt, bestehen zwischen Minimal- und Maximalwerten im Fall von Zylinderaussetzern relativ hohe Span­ nungsunterschiede, vor allem im Übergangsbereich zwischen fetten und mageren Gemischen. Außerdem gilt, daß eine bestimmte Änderung des Lambdawertes im fetten Bereich in der Regel einen etwas grö­ ßeren Spannungshub verursacht als im mageren Bereich. Dies hängt jedoch von der jeweiligen Sondenkennlinie ab. Werden nun die je­ weils gemessenen Spannungen in Lambdawerte umgerechnet, ergibt sich der Vorteil, daß unabhängig davon, ob gerade im mageren oder im fetten Bereich oder im Übergangsbereich gemessen wird, jeweils in etwa dieselbe Lambdawertdifferenz erhalten wird, hervorge­ rufen durch die jeweils im wesentlichen gleiche unverbrannte Luftmasse in einem Zylinder mit Aussetzern - vorausgesetzt, daß keine wesentliche Laständerung zwischen aufeinanderfolgenden Messungen von Minimalwert und Maximalwert erfolgt, was mit sehr guter Näherung erfüllt ist. Da unabhängig vom Meßbereich jeweils im wesentlichen gleiche Lambdawertänderungen erhalten werden, ist in Schritt s5 ohne weiteres ein Vergleich mit einem festen Schwellenwert möglich. Wird er dagegen nicht in Lambdawerte um­ gerechnet, ist es von Vorteil, mit einem variablen Schwellenwert zu vergleichen, der abhängig von der jeweils vorliegenden mitt­ leren Spannung verändert wird, also im Übergangsbereich zwischen fett und mager besonders hoch ist und im fetten Bereich gering­ fügig höher ist als im mageren Bereich, abhängig von der Kenn­ linie der jeweils verwendeten Sonde.

Claims (4)

1. Verfahren zum Erkennen von Verbrennungsaussetzern bei einem Motor, dadurch gekennzeichnet, daß

• - das Signal einer Lambdasonde gemessen wird,
• - die Amplitude desjenigen Signalanteils bestimmt wird, der die Frequenz der Nockenwelle aufweist,
• - aufeinanderfolgende Amplitudenwerte gleitend gemittelt werden,
• - und dann, wenn der gleitende Mittelwert einen Schwellenwert übersteigt, auf das Vorliegen von Aussetzern erkannt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitudenwerte dadurch gewonnen werden, daß

• - für jeweils 720° Kurbelwinkel der Minimalwert min und der Maximalwert max des Sondensignals ermittelt werden,
• - die Differenz diff = max-min gebildet wird,
• - der Mittelwert des Sondensignals gebildet wird und der Betrag dm der Differenz aufeinanderfolgender Mittelwerte berechnet wird,
• - und die Amplitude A dadurch bestimmt wird, daß von der Diffe­ renz diff der Differenzbetrag dm abgezogen wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Sondensignal die Sondenspannung verwendet wird und der Schwellenwert abhängig von der jeweils vorliegenden mittleren Spannung verändert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Sondensignal die in einen jeweiligen Lambda­ wert umgerechnete Sondenspannung verwendet wird.