DE4116518C2

DE4116518C2 - Fehlzündungs-Erfassungseinrichtung für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE4116518C2
Application number: DE4116518A
Authority: DE
Inventors: Akira Demizu; Akihiro Nakagawa; Toshiki Kuroda
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1990-06-13
Filing date: 1991-05-21
Publication date: 1996-11-14
Anticipated expiration: 2011-05-22
Also published as: DE4116518A1; JPH0447146A; JP2611502B2; US5127262A

Description

Die Erfindung betrifft eine Fehlzündungs-Erfassungseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es wurde bereits eine Fehlzündungs-Erfassungseinrichtung dieser Art, beispielsweise in der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung JP 62-30932 A, angegeben. Diese Vorrichtung erfaßt einen Zylinderinnendruck mittels eines Zylinderinnendrucksensors an zwei Punkten vor und nach dem oberen Totpunkt beim Verdichten eines Motors, die vom oberen Totpunkt um den gleichen Winkelbetrag entfernt sind. Sind beide Drücke nahezu gleich, erfolgt eine Entscheidung für eine Fehlzündung des Motors.

Jedoch erfaßt die bekannte Vorrichtung irrtümlich eine Fehlzündung, wenn eine Druckschwankung als Folge einer Änderung eines Verbrennungszustandes auftritt oder wenn eine Störspannung dem Zylinderinnendruck-Erfassungswert überlagert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Fehlzündungs-Erfassungseinrichtung für eine Brennkraftmaschine zu schaffen, die nicht irrtümlich eine Fehlzündung erfaßt, wenn eine Druckschwankung als Folge einer Änderung eines Verbrennungszustandes auftritt, oder wenn eine Störspannung dem Zylinderinnendruck-Erfassungswert überlagert wird.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Eine vorteilhafte Ausführungsform findet sich in dem Unteranspruch.

Eine vollständigere Würdigung der Erfindung und vieler ihrer zugehörigen Vorteile ergibt sich mühelos durch ein besseres Verständnis derselben unter Bezugnahme auf die anschließende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen; es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild, das den erfindungsgemäßen Aufbau angibt;

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung, mit welche die Erfindung verwirklicht wird;

Fig. 3A, 3B, 3C und 3D Darstellungen, die die Beziehung zwischen einer Zylinderinnendruckänderung, einem Zylinderkennungssignal und einem Kurbelwinkelsignal angeben;

Fig. 4A, 4B, 4C Darstellungen, die die Beziehung zwischen den Hüben eines Motors, dem Zylinderkennungssignal und dem Kurbelwinkel angeben;

Fig. 5 eine Darstellung, die die Beziehung zwischen dem Kurbelwinkel und einem Zylindervolumen angibt;

Fig. 6 eine Darstellung, die die Beziehung zwischen dem Kurbelwinkel und dem Volumenänderungsverhältnis angibt;

Fig. 7 eine Darstellung, die die Beziehung zwischen dem Kurbelwinkel und einer Änderung des Zylinderinnendruckes angibt;

Fig. 8 eine Ablaufdarstellung, die eine Betriebsweise für die Zylinderkennung angibt;

Fig. 9 eine Ablaufdarstellung, die eine Betriebsweise für die Berechnung eines angegebenen Arbeitsverhältnisses angibt; und

Fig. 10 eine Ablaufdarstellung, die die Betriebsweise einer A/D-Umsetzung angibt.

Es wird auf die Einzelbeschreibung bevorzugter Ausführungsformen Bezug genommen.

Fig. 1 ist ein Blockschaltbild, das den Grundaufbau der Erfindung angibt. In Fig. 1 bezeichnet M1 einen Motor, M2 eine Kurbelwinkel-Erfassungsvorrichtung, die den Kurbelwinkel des Motors erfaßt und Impulse an jeder Bezugsposition des Kurbelwinkels abgibt, und an jedem Einheitswinkel des Kurbelwinkels. M3 ist eine Druckerfassungsvorrichtung, die einen Zylinderinnendruck erfaßt. M4 ist eine Fehlzündungs-Erfassungseinrichtung, die einen Druck mit Hilfe einer Druckerfassungsvorrichtung (M3) bei einer vorgegebenen Kurbelposition mißt, die durch die Kurbelwinkel-Erfassungsvorrichtung M2 gegeben wird, und die eine Fehlzündungsbestimmung in Einklang mit einer vorgegebenen Verfahrensweise durchführt.

Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform. Das Bezugszeichen 1 bezeichnet einen Motor mit Zylindern 2-5, die als Nr. 1 bis Nr. 4 numeriert sind, und die Bezugszeichen 6-9 bezeichnen Drucksensoren, die die Zylinderinnendrücke der Zylinder 2-5 erfassen. Für den Drucksensor wird ein piezoelektrisches Element verwendet, das eine elektrische Ladung entsprechend einer Änderung des Zylinderinnendruckes erzeugt, oder ein Halbleiterdrucksensor, der den Zylinderinnendruck als Änderung eines Widerstandswertes erfaßt, indem der Druck auf eine Halbleitermembran ausgeübt wird. Der Teil 10 stellt einen Kurbelwinkelsensor dar, der an eine Kurbelwelle des Motors 1 angeschlossen ist, einen Bezugspositionsimpuls bei jeder Kurbelwinkelbezugsposition (alle 180°) erzeugt, einen Einheitswinkelimpuls bei jedem Einheitswinkel (beispielsweise bei jeweils 1°) erzeugt, und die Zeitsteuerung der Druckerfassung bestimmt. Der Teil 30 ist eine Zylinderinnendruckmeßeinheit, die Ausgangssignale aus den Drucksensoren 6-9 und dem Kurbelwinkelsensor 10 erhält. Die Zylinderinnendruckmeßeinheit 30 besteht aus den Schnittstellen (I/F) 12-15, die die Ausgangssignale der Drucksensoren 6-9 in Spannungswerte umsetzen, der Zeitsteuerungsschnittstelle 16, die das Ausgangssignal des Kurbelwinkelsensors 10 erhält, dem Einchip-Mikrocomputer 26 (anschließend als Mikrocomputer bezeichnet) mit dem A/D-Umsetzer 27 und dem Speicher 28, und dem Multiplexer 29, der die Ausgangssignale der Schnittstellen 12-15 entsprechend der Steuerfolge des Mikrocomputers 26 auswählt und schaltet und das Ausgangssignal dem A/D-Umsetzer zuführt.

In der vorstehend aufgeführten Vorrichtung wird das Ausgangssignal aus dem Drucksensor 6 dem Multiplexer 29 aus den Schnittstellen 12-15 zugeführt, indem die Signale ausgewählt und dem Mikrocomputer 26 eingegeben werden.

Die Fig. 3A bis 3D zeigen die Druckänderung der Zylinder 2-5 in Verbindung mit dem Kurbelwinkel eines Viertaktmotors und den Wellenverlauf, wobei TDC einen oberen Totpunkt des Motors 1 und BDC einen unteren Totpunkt des Motors 1 darstellen. Gemäß den Fig. 3B und 3C kann der Kurbelwinkelsensor Zylinderkennungssignale in einem Abstand von 720° ausgeben, sowie ein Kurbelwinkelsignal nach jeweils 1°, die über die Schnittstelle 16 dem Mikrocomputer 26 zugeführt werden. Das vom Multiplexer 29 in Einklang mit den vorstehend aufgeführten Signalen ausgewählte Signal wird vom A/D-Umsetzer 27 beispielsweise in einem Abstand von 2° des vorgegebenen Kurbelwinkels aus einem analogen in einen digitalen Wert umgesetzt und im Speicher 28 gespeichert. Diese Folge wird in einem Abstand von 720° gemäß Fig. 4A wiederholt. Zunächst werden die Eingangsdaten des Z1-Zylinders 2 während eines Verbrennungszyklus vom Ansaugen bis zum Ausschieben aus einem analogen in einen digitalen Wert umgesetzt, und die Datenbearbeitung wird während der aufeinanderfolgenden Intervalle von 180°-Kurbelwinkel durchgeführt. In gleicher Weise, wie vorstehend aufgeführt, erfolgt die A/D-Umsetzung und die Datenverarbeitung in einem Abstand von 720° in der Reihenfolge des Z3-Zylinders 4, des Z4-Zylinders 5 und des Z2-Zylinders 3. Entsprechend wird die Sammlung der Daten der Zylinder 2-5 intermittierend und aufeinanderfolgend mit einer Rate von einer Zeitspanne für jeden Zylinder geteilt durch vier durchgeführt. Ist die Anzahl der Zylinder gleich "n", so ist die Meßperiode für jeden Zylinder gleich 1 durch n. Das Kurbelwinkelintervall für die Zeitsteuerung der nächsten Stufe ist 720/n. Die Fig. 4B und 4C zeigen das Ausgangssignal des Kurbelwinkelsensors 10.

Als nächstes wird ein tatsächliches Verfahren der Fehlzündungserfassung erläutert. Zunächst ist die indizierte Arbeit, die der Motor 1 in einem Verbrennungszyklus durchgeführt, nämlich W_i = ∫ p · dv (kg · cm), wobei p der Zylinderinnendruck (bar) und v das Zylindervolumen (cm³) sind. Das tatsächliche Berechnungsprogramm wird durch folgende Gleichung (1) durchgeführt:

wobei CA der Kurbelwinkel, P_AD der A/D-Umsetzungswert bei jeder Erzeugung des Kurbelwinkelsignals (alle 1°) ist, M_CA aus einer Tabelle ausgelesen wird und einen Wert darstellt, der dv entspricht, das in Beziehung zum Kurbelwinkel Theta steht. Fig. 5 zeigt die dem Kurbelwinkel entsprechende Volumenänderung. Aus Fig. 5 wird die Beziehung zwischen dem Kurbelwinkel und dem Volumenänderungsverhältnis erhalten, das in Fig. 6 dargestellt ist. Die Beziehung gemäß Fig. 6 wird vorab durch den Speicher des Mikrocomputers 26 als Tabellendaten gespeichert. Diese Tabellendaten werden entsprechend dem Kurbelwinkel ausgelesen.

Die Beziehung zwischen der indizierten Arbeit W_i und der Fehlzündung soll unter Verwendung der Fig. 7 erläutert werden. In Fig. 7 zeigt die voll ausgezogene Kurve die normale Verbrennung. Bei normaler Verbrennung des Motors wird das im Saughub dem Zylinder zugeführte Gemisch in einem Verdichtungshub verdichtet und an einem Punkt in der Nähe des oberen Totpunktes im Verdichtungshub gezündet, dehnt sich im Arbeitshub rasch aus und wird im Ausschiebehub aus dem Zylinder abgegeben. Als nächstes ist der Fall einer Fehlzündung in der gleichen Figur gestrichelt dargestellt. Für den Fall einer Fehlzündung oder falls das Gemischverhältnis von Luft zu Brennstoff unangebracht ist, ist die Druckänderung im Arbeitshub, wie durch die gestrichelte Linie gezeigt wird, in den Bereichen alpha, beta symmetrisch zur Vertikalen, die 360°-Kurbelwinkel angibt. Die gestrichelte Linie zeigt den Fall, bei dem keine Verbrennung stattfindet, oder den Fall einer völligen Fehlzündung. Ist das Ausmaß der Fehlzündung gering, so fällt die Druckänderung in den Bereich zwischen der voll ausgezogenen Linie und der gestrichelten Linie in den Bereich von beta.

Die Erfindung beruht auf dieser Erkenntnis. Die indizierte Arbeit W_{i alpha} in einem vorgegebenen Bereich (beispielsweise alpha) vor einem vorbestimmten Kurbelwinkel Theta (beispielsweise 360°) wird durch folgende Gleichung (2) berechnet:

In ähnlicher Weise wird die indizierte Arbeit W_{i beta} in einem vorbestimmten Bereich (beispielsweise beta) nach dem vorbestimmten Kurbelwinkel Theta gemäß der Gleichung (3) berechnet:

Durch Vergleich dieser Werte erfolgt eine Entscheidung, gemäß welcher der Motor normal ist, wenn folgende Beziehung (4) gilt, und wonach der Motor fehlzündet, wenn die Gleichung (4) nicht gültig ist:

wobei l eine Verstärkungskonstante und k eine Versetzungskonstante ist, die zur Erweiterung des Kriteriumswertes der Beziehung (4) verwendet werden. Für l = 1 und k = 0 kann die Vorrichtung den Pegel eines völligen Fehlzündungszustandes erfassen. Die Verstärkungskonstante l und die Verschiebungskonstante k werden entsprechend dem zu erfassenden Pegel der Fehlzündung bestimmt.

Die Fig. 8 bis 10 sind Ablaufdarstellungen, die die Fehlzündungen eines jeden Zylinders erfassen. Fig. 8 ist ein Hauptprogramm, das nach dem Start des Programmes durchgeführt wird. Das Winkelsignal des Kurbelwinkelsensors 10 wird dem Mikrocomputer 26 über die Schnittstelle 16 zugeführt und dem Mikrocomputer während der Durchführung des Hauptprogrammes als Unterbrechungssignal zugeführt. Mittels dieses Unterbrechungssignals werden das Setzen des Zylinderkennungssignals und das Auszählen durch den später beschriebenen Kurbelimpulszähler (CA) in Einklang mit dem Anstieg des Zylinderkennungssignals gemäß Fig. 3B und des Anstiegs des Kurbelwinkelsignals gemäß Fig. 3C durchgeführt. Ist diese Verarbeitung beendet, so wird erneut das ursprüngliche Hauptprogramm ausgeführt.

Die Stufe 100 der Fig. 8 dient zum Initialisieren beim Start der Messung, wobei der Speicher, der die Fehlzündung speichert, gelöscht wird und, wie später erwähnt, in einen Ausgangszustand gebracht wird. Als nächstes wird in der Stufe 101 der Anstieg des Zylinderkennungssignals des Kurbelwinkelsensors 10, der in Fig. 3B angegeben ist, erwartet.

Ist der Anstieg des Zylinderkennungssignals erfolgt, so geht der Betrieb zur Stufe 102. In der Stufe 102 wird der im Speicher 28 installierte Zylinderkennungszähler auf 1 gestellt. Als nächstes wird in der Stufe 103 eine Entscheidung bezüglich des Wertes des Zählers getroffen.

In diesem Falle ist der Zähler in der Stufe 102 auf 1 gestellt und der Betrieb geht zur Stufe 104.

Stufe 104 ist ein Unterprogramm, das durch das Hauptprogramm der Fig. 8 aufgerufen wird. Die Verfahrensweise des Unterprogrammes ist in Fig. 9 angegeben. Zunächst wird in der Stufe A1 der im Speicher 28 installierte Kurbelimpulszähler CA auf 0 zurückgesetzt. Der Zylinder, der dem Wert des Zylinderkennungszählers entspricht, wird durch den Multiplexer 29 an den A/D-Umsetzer 27 angeschlossen. Als nächstes wartet in der Stufe A2 während des in Fig. 4A angegebenen Bereiches gamma, der Betrieb bis CA = 180. Ist diese Bedingung erfüllt, so geht der Betrieb zur Stufe A3. In den Stufen A3 bis A7 wird die indizierte Arbeit W_{i alpha} in dem Bereich von alpha gemäß Fig. 7 gemessen.

Zunächst wird in der Stufe A3 der Speicher zur Messung von W_i auf 0 gelöscht. Der Betrieb geht weiter zur Stufe A4. Die Stufe A4 ist ein Unterprogramm, das durch das Unterprogramm gemäß Fig. 9 aufgerufen wird. Dieses Unterprogramm führt eine A/D-Umsetzung des Zylinderdruckes, entsprechend der in Fig. 10 angegebenen Verfahrensweise durch. Dieses Programm wird durch eine Unterbrechung bei jedem vorgegebenen Kurbelwinkel initialisiert und führt eine A/D-Umsetzung einmal für jeden vorgegebenen Kurbelwinkel durch. Zunächst wird in der Stufe B1 der A/D-Umsetzer 28 gestartet. Als nächstes wird in der Stufe B2 das Volumenänderungsverhältnis eines jeden Zylinders gemäß Fig. 6 entsprechend dem Kurbelwinkel gelesen und im Speicher M_CA gesetzt. Als nächstes geht der Betrieb zur Stufe B3 und wartet bis die A/D-Umsetzung beendet ist. Ist die A/D-Umsetzung beendet, so wird der Wert der A/D-Umsetzung im Speicher P_AD gesetzt, und der Betrieb kehrt zum Unterprogramm nach Fig. 9 zurück.

Im Unterprogramm der Fig. 9 geht der Betrieb zur Stufe A5, in der die Multiplikation P_AD × M_CA durchgeführt wird, und das Ergebnis wird wiederum im Speicher alpha gespeichert. Anschließend geht der Betrieb zur Stufe A6, in der die Addition alpha + W_{i alpha} durchgeführt wird, und das Berechnungsergebnis wird nach W_{i alpha} rückgesetzt. Als nächstes wird in der Stufe A7 entschieden, ob CA = 360° gilt, und die vorstehend erwähnte Schleife wird von 181° bis 360° Kurbelwinkel wiederholt. W_{i alpha} wird bei jedem Kurbelwinkel addiert, der Betrieb führt die Behandlung entsprechend der Gleichung (2) durch und schließlich wird die indizierte Arbeit W_{i alpha} im Bereich von alpha gemessen und berechnet.

Als nächstes geht der Betrieb weiter zur Stufe A8. In den Stufen A8 bis A11 wird die indizierte Arbeit W_{i beta} im Bereich von beta gemessen. In der Stufe A8 wird der Speicher zur Messung von W_{i beta} auf 0 zurückgesetzt. Darauf geht der Betrieb zur Stufe A4a und die vorstehend erwähnte Behandlung gemäß Fig. 10 wird durchgeführt. Bezüglich des Betriebes der Stufe A4a unterbleibt eine Erläuterung, da der Betrieb in der Stufe A4a mit jenem der vorstehend aufgeführten Stufe A4 übereinstimmt. Der Betrieb geht weiter zur Stufe A9, in welcher P_AD × M_CA durchgeführt wird, und das Ergebnis wird im Speicher beta gespeichert. In der Stufe A10 wird die Addition von beta + W_{i beta} durchgeführt, und das Ergebnis der Berechnung wird nach W_{i beta} rückgesetzt.

Als nächstes wird in der Stufe A11 entschieden, ob CA = 540° gilt, und die Schleife von der Stufe A4 zur Stufe A11 wird von 361° Kurbelwinkel bis 540° Kurbelwinkel wiederholt, und der Betrieb wird für eine Behandlung entsprechend der Gleichung (3) durchgeführt, und schließlich wird die indizierte Arbeit W_{i beta} im Bereich beta gemessen und berechnet. Als nächstes geht der Betrieb zur Stufe A12, in der die Werte von W_{i alpha} und W_{i beta} auf der Grundlage der Beziehung (4) verglichen werden. Ergibt die Entscheidung eine Fehlzündung, so geht der Betrieb weiter zur Stufe (A14), in welcher ein im Speicher 28 installierter Fehlzündungsmerker gesetzt wird. Ergibt die Beurteilung keine Fehlzündung, so geht der Betrieb zur Stufe A13, in der der Fehlzündungsmerker gelöscht wird. Nachdem die Entscheidung bezüglich einer Fehlzündung am Zylinder Z1 in der vorstehend aufgeführten Weise durchgeführt ist, geht der Betrieb zur Stufe 105 des Hauptprogrammes nach Fig. 8 zurück. In der Stufe 105 wird 1 zu dem vorausgehend aufgeführten Zylinderkennungszähler hinzugefügt, und der Betrieb geht zur Stufe 103. In der Stufe 103 wird der Wert des Zählers erneut beurteilt. Jedoch wurde der Wert in der Stufe 105 inkrementiert und der Betrieb geht zur Stufe 106.

In der Stufe 106 wird der Kurbelimpulszähler CA auf 0 zurückgesetzt, und der Betrieb geht weiter zur Stufe 107. In der Stufe 107 wartet der Betrieb während der 360° im Bereich von zeta, der in Fig. 4 angegeben ist. Ist dies beendet, so geht der Betrieb weiter zur Stufe 108, in der der Zylinderkennungszähler beurteilt wird. In diesem Falle wird in der Stufe 105 der Zähler auf 2 gesetzt, und der Betrieb geht wieder zur Stufe 104. In der Stufe 104 erfolgt die Entscheidung bezüglich der Fehlzündung des dritten Zylinders Nr. 3 mittels der vorstehend aufgeführten Verfahrensweise. Nachdem die Stufe 104 beendet ist, geht der Betrieb weiter zur Stufe 105, in der der Zylinderkennungszähler inkrementiert wird und der Zähler wird auf 3 gesetzt. Die Stufen 103 bis 109 werden durchgeführt und es wird die Fehlzündung des vierten Zylinders beurteilt. Die Beurteilung der Fehlzündung des zweiten Zylinders Nr. 2 wird in gleicher Weise in der Reihenfolge der Bereiche gamma, alpha, beta, zeta durchgeführt. Ist die Beurteilung des zweiten Zylinders beendet, so kehrt der Betrieb wieder zur Stufe 101 zurück, und die Beurteilung der Fehlzündung wird erneut entsprechend der Zündfolge wiederholt; Nr. 1, Nr. 3, Nr. 4 und Nr. 2. In dieser Ausführungsform wird der Fehlzündungsmerker gesetzt und rückgesetzt. Jedoch kann ein jedem Zylinder entsprechender Fehlzündungsmerker im Speicher 28 vorgesehen werden, und das Ergebnis der Beurteilung kann unabhängig gespeichert werden. Die eingestellten Werte des Bereiches alpha, beta zur Erzielung der indizierten Arbeit und des vorgebenen Kurbelwinkels Theta können entsprechend dem Zündzeitpunkt des Motors oder dem Laufzustand des Motors geändert werden.

Claims

1. Fehlzündungs-Erfassungseinrichtung für einen Verbrennungsmotor, umfassend:

- eine Druckerfassungsvorrichtung (M3) zum Erfassen des Zylinderinnendrucks des Motors,
- eine Kurbelwinkel-Erfassungsvorrichtung (M2) zum Erfassen des Kurbelwinkels, und
- eine Fehlzündungs-Erfassungseinrichtung (M4) zum Erfassen einer Fehlzündung auf der Grundlage von Signalen aus der Druckerfassungsvorrichtung (M3) und der Kurbelwinkel-Erfassungsvorrichtung,

dadurch gekennzeichnet,

- daß in der Fehlzündungs-Erfassungseinrichtung (M4) ein Vergleich eines ersten Integralwertes der indizierten Arbeit (W_i _α) vor einem vorbestimmten Kurbelwinkel, der im Bereich eines oberen Totpunkts des Verbrennungsmotors liegt, mit einem zweiten Integralwert der indizierten Arbeit (W_i _β) nach dem vorbestimmten Kurbelwinkel, dessen Integrationsbereich im wesentlichen gleich groß ist wie der Integrationsbereich des ersten Integralwertes, auf der Basis der folgenden Gleichung unter Verwendung einer Verstärkungskonstanten (l) und einer Versetzungskonstanten (k) durchgeführt wird: l × W_i _α + k W_i _b
- und daß auf eine Fehlzündung erkannt wird, wenn diese Gleichung nicht erfüllt ist.

2. Fehlzündungs-Erfassungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Kurbelwinkel ein oberer Totpunkt (TDC) im Verdichtungshub des Verbrennungsmotors ist.