DE4227104A1

DE4227104A1 - Verfahren und system zum aufspueren von fehlzuendungen bei brennkraftmaschinen unter ausnutzung von drehmomentungleichfoermigkeiten der maschine

Info

Publication number: DE4227104A1
Application number: DE4227104A
Authority: DE
Inventors: William R Ribbens; Yuzo Kadomukai; Giorgio Rizzoni
Original assignee: Hitachi America Ltd; University of Michigan
Current assignee: Hitachi America Ltd; University of Michigan
Priority date: 1991-09-13
Filing date: 1992-08-17
Publication date: 1993-03-18
Anticipated expiration: 2012-08-18
Also published as: DE4227104C2; US5278760A; JPH06207551A

Description

Die vorliegende Anmeldung ist eine "continuation-in-process" Anmeldung von den gleichzeitig anhängigen Anmeldungen mit dem gleichen Titel und der Nr. 5 12 779, dem Anmeldetag 20. April 1990 sowie der Nr. 5 91 963 mit dem Anmeldetag 21. August 1991. Die gleichzeitig anhängigen Anmeldungen sind hier ausdrücklich unter Bezugnahme enthalten.

Die Erfindung betrifft Verfahren und Systeme zum Aufspüren von Fehlzündungen bei Brennkraftmaschinen und insbesondere Verfahren und Systeme zum Aufspüren von Fehlzündungen bei Brennkraftmaschinen unter Ausnutzung von Drehmoment Un gleichförmigkeiten der Maschine.

In den letzten Jahren ist die Leistung von Automobil-Ab gaskontrollsystemen in den USA zu einem wichtigen Problem geworden. Faktisch alle vom Anfang der 80'er Jahre an in den USA verkauften Autos sind mit einem Drei-Wege-Katalysator im Abgassystem ausgestattet worden. Damit der Katalysator richtig funktioniert, ist das Fahrzeug typischerweise mit einem Kraftstoffkontrollsystem ausgerüstet, das eine Stö chiometrische Mischung von Kraftstoff zu Luft beibehält (z. B. Masse der Luft/Masse des Kraftstoffs=14,7).

Die Langzeit Leistung von Automobil-Abgaskontrollsystemen wird stark durch den Formzustand (pysical condition) des Katalysators beeinflußt. Unglücklicherweise ist der Kataly sator gegen eine Reihe von Faktoren empfindlich, die zu seiner irreversiblen Zerstörung führen können.

Eine der höchst wahrscheinlichen Ursachen für Katalysator verschlechterung ist das Auftreten von Fehlzündungen. Fehl zündungen sind eine Erscheinung, bei welcher die Verbrennung in einem oder mehreren Zylindern oder in einem oder mehre ren Maschinenzyklen aufgrund fehlender Zündung oder falschem Tanken (misfueling) nicht stattfindet. Wenn Fehlzündungen auftreten, werden unverbrannter Kraftstoff und Luft in den Katalysator gepumpt, wodurch dessen Betriebstemperatur stark ansteigt. Dieses Problem ist um so ernsthafter, wenn die Maschine unter hohen Belastungen und hohen Drehzahlen gefah ren wird, wobei sogar wenige Sekunden von Fehlzündungen bewirken, daß die Temperatur des Katalysators auf über 900°C (1650°F) ansteigen, was die irreversible Zerstörung des Katalysators zur Folge hat. Sogar heute fortschrittlichste Katalysatoren sind nicht in der Lage Temperaturen von über 900°C ohne Schaden zu überstehen.

Fahrzeugbetrieb unter Fehlzündungen steuert zu übermäßigen Emissionen bei, besonders wenn die Fehlzündungen während der Aufwärmphase der Maschine auftreten und der Katalysator seine Betriebstemperatur noch nicht erreicht hat. Fehlzün dungen sind ebenfalls unerwünscht, weil die Maschine während der Fehlzündungen kein oder nur verringertes Drehmoment abgibt.

Die Funktionstüchtigkeit des Auspuffabgassystems kann am besten durch dauernde Überwachung seiner Leistung an Bord des Fahrzeuges erhalten werden. Es spricht für die Überwa chung der Leistung von Emissionssystemen, daß die "Califor nia Air Resources" Behörde Regeln verabschiedet hat, die vor sehen, daß alle Neufahrzeuge nach 1994 mit Überwachungssy stemen ausgestattet werden sollen, die in der Lage sind Fehlzündungen aufzuspüren. Diese vorgeschlagenen Regelungen sind als ODDII bekannt und es könnten ihnen ähnliche Bundes bestimmungen "EPA" folgen. Die vorgeschlagenen Regelungen sind für jede Art von Fehlzündung (z. B. zufällige, regelmä ßige, in gleichem Abstand auftretende) zum Zwecke der Iden tifizierung von Fehlfunktionen anwendbar.

Es gibt eine Vielzahl von Verfahren und Systemen zum Auf spüren von Fehlzündungen. Diese umfassen die Ausnutzung von Winkelgeschwindigkeitsschwankungen der Kurbelwelle, das Überwachen der Veränderung von Sauerstoff - Meßfühler Wel lenform Diagrammen (oxigen sensor waveform pattern), das Verstärken des gegenwärtigen Klopf-Sensor Konzepts, um das Aussetzen der Verbrennung zu "hören", das Installieren von Zylinderdruck-Übertragern, die Auswertung von Wellenform Diagrammen von Sekundärzündungen, die Verwendung von Tempe raturfühlern, um die Temperatur des Katalysators während der Fehlzündung anzuzeigen, und andere Verfahren.

Der Stand der Technik offenbart viele Verfahren zum Aufspü ren von Fehlzündungen, wobei diese Verfahren auf Messungen des Drehmoments basieren, das von berührungslosen Messungen der Kurbelwellenwinkelgeschwindigkeit abgeleitet ist. Der Fehlzündungszustand wird durch diese Drehmomentmessungen entdeckt. Die Verfahren zur Drehmomentmessung sind hinläng lich bekannt. Jedoch hat jedes dieser Verfahren gewisse Unzulänglichkeiten in Hinblick auf eine aufwendige, wirkungsvolle und verläßliche Fehlzündungsaufspürung, wie sie von den OBDII Bestimmungen gefordert wird.

Z.B. offenbart jedes der US Patente Nr. 48 34 870, 46 97 561, und 45 32 592 ein Verfahren zur Messung des Ma schinendrehmoments unter Verwendung von Digitaltechniken zum Erfassen der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle. Die Zeit zwischen den aufeinanderfolgenden festgelegten Winkelposi tionen auf der Kurbelwelle wird mittels einer Hochfrequenz uhr gemessen.

Ein Wert der Kurbelwellenwinkelgeschwindigkeit ω_i wird durch folgende Gleichung erhalten:

wobei

R_i und R_i-1 die Winkelpositionen der Kurbelwelle sind.
Δt_i = Zeitintervall.

Eines der Probleme dieser Digitalmessung von Winkelgeschwin digkeit ist, daß Zufallsfehler (oder Pseudo-Zufallsfehler) auftreten. Es gibt zwei Fehlerquellen bei dem Digitalver fahren: 1) die Zufallsabweichungen bei der Messung der Winkelposition und 2) die Zeitfehler die bei der Messung von Δt_i auftreten. Die erste Fehlerquelle ergibt sich beim Aus lauf des Kurbelwellengestänges und durch Schwankungen in der magnetischen Kopplung des Meßfühlers mit dem Kurbelwellen gestänge. Um für Drehmomentmessungen brauchbar zu sein, müssen die Winkelgeschwindigkeitsmessungen mittels eines Digitalfilters gefiltert werden.

Deshalb hat die digitale Messung der Kurbelwellenwinkelge schwindigkeit den Nachteil, daß elektronische Komplexität erforderlich ist, um eine Messung der Kurbelwellenwinkelge schwindigkeit (mit einem Minimum an Zufallsfehlern) zu er halten. Zudem hat das digitale Verfahren aufgrund der Win kelteilung ΔR (ΔR=R_i-R_i-1) eine begrenzte Abtastrate. Die Uhrenfrequenz muß extrem hoch sein, um eine angemessene Anzahl von Zählungen zu erhalten, um die gewünschte Abta strate und Genauigkeit zu erhalten, die erforderlich ist, um ΔR zu messen. Die Genauigkeit der Bestimmung von R_i und Δt_i nimmt mit zunehmender Drehzahl ab.

Ein anderer Nachteil des digitalen Verfahrens ist die ziem lich lästige Methode mit der Maschinendynamic fertig zu werden. Es ist schon lange erkannt worden, daß die Berech nung des Drehmoments aus Winkelgeschwindigkeitsmessungen der Kurbelwelle eine Berichtigung für die Kräfte, die im Zusam menhang mit wechselseitig wirkenden Bauteilen (z. B. Kolben, Pleuelstange) auftreten, erforderlich ist. Dies ist in der Druckschrift A. Rizzoni, "Modell für die Dynamik einer Brennkraftmaschine", PhD Dissertation, Department of Elec trical and Computer Engeneering, University of Michigan, Ann Arbor, Michigan, Februar 1986 dargestellt.

Noch ein weiterer Nachteil in den Druckschriften, die sich auf Messungen von Drehmomentungleichförmigkeiten im Ver hältnis zu Fehlzündungserkennung beziehen, ist das Fehlen jeglicher Erkenntnis, daß ein Index der Drehmomentungleich förmigkeit eine Zufallsvariable ist. Es gibt in den Bezügen zum Stand der Technik, mit Ausnahme der Veröffentlichungen der gegenwärtigen Erfinder, keinen Hinweis auf die Zufalls natur der Maschinenverbrennung, welche zur Zufälligkeit der Drehmomenterzeugung führt.

Z.B. offenbart das US Patent Nr. 45 50 595 ein analoges schaltkreis-unterstützes (analog circuit - based) Verfahren zum kontinuierlichen Schätzen des momentan indizierten Dreh moments einer Vierzylinder Zweitakt Kolbenbrenn kraftmaschine. Dieses Patent lehrt ein Verfahren zur Berech nung dieses Drehmoments mit Hilfe von berührungslosen kon tinuierlichen Zeitmessungen der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle. Eine exakte Berechnung, die den Einfluß von Trägheitskräften im Zusammenhang mit den wechselseitig wir kenden Bauteilen auf die Winkeldynamik der Kurbelwelle be rücksichtigt, ist ebenfalls offenbart. Es gibt keinen Vor schlag für die Verwendung des gemessenen Drehmoments für eine Zylinder für Zylinder Leistungsmessung und keinen Hin weis auf eine Fehlzündungsanzeige.

Das US Patent Nr. 37 89 816 offenbart ein Treibstoffkon trollsystem mit geschlossenem Kreislauf (closed loop fuel control System) für Benzin betankte Kolbenbrennkraftmaschi nen. Das Kontrollsystem beinhaltet eine Instrumentierung zur Messung von Laufunruhen der Maschine (z. B. Drehmomentun gleichgewicht von Zylinder zu Zylinder oder von Takt zu Takt). Das Laufunruhesignal wird durch elektronische Signal verarbeitung von Winkelgeschwindigkeitsmessungen der Kur belwelle erhalten. Die elektronische Signalverarbeitung berücksichtigt keine wechselseitig wirkenden Trägheitskräf te.

Das US Patent Nr. 42 92 670 offenbart ein Verfahren zur Mes sung des Leistungs- und/oder Kompressionsgleichgewichtes bei Dieselmotoren. Dieses Verfahren verwendet einen berührungs losen Sensor, um ein Signal von dem Anlaßring (starter ring gear) zu erhalten. Bei Verwendung eines digitalen Verfahrens werden Schätzungen der Kurbelwellenwinkelgeschwindigkeit mit einer sehr begrenzten Abtastrate erhalten. Die Winkel geschwindigkeitsmessungen werden dann zur Schätzung der Arbeit des Motors während des Arbeitstaktes verwendet, ohne die Kompensierung der Trägheitskräfte in der Motordynamik.

Das US Patent Nr. 41 97 767 offenbart ein Verfahren zur Treibstoffkontrolle für eine Benzin betankte Kolbenbrenn kraftmaschine während der Aufwärmphase. Ein Verfahren zur Messung von Laufunruhen des Motors ist vorgesehen. Dieses Verfahren verwendet einen berührungslosen Sensor zur Messung der Kurbelwellenwinkelgeschwindigkeit. Eine elektronische Signalverarbeitung erzeugt ein Signal welches die Laufunruhe anzeigt. Jedoch wird die Kompensation von wechselseitig wirkenden Trägheitskräften nicht vorgeschlagen. Weiterhin gibt es keinen Hinweis auf eine Beziehung zwischen dem Lau funruhesignal und gegenwärtigen Fehlzündungen.

Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren und System zum Aufspüren von Fehl zündungen in Echtzeit in einer verläßlichen und kostenef fektiven Art und Weise während des schwingenden Motorbetrie bes zu schaffen.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren und System zum Aufspüren von Fehl zündungen in Echtzeit sowohl für kontinuierliche als auch für intermittierende Fehlzündungen zu schaffen, wenn der Motorbetrieb gleichmäßig ist oder der Motor beschleunigt oder verzögert.

Zur Lösung der oben genannten Aufgabe und weiterer Aufgaben der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Aufspüren von Fehlzündungen einer Kolbenverbrennungsmaschine mit einer Vielzahl von wechselseitig wirkenden Komponenten, wenigstens einem Zylinder und einer Kurbelwelle geschaffen worden. Das Verfahren umfaßt das Messen der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle, um eine elektrische Signaldarstellung dieser zu erhalten, und das Filtern des elektrischen Signals, um die Wirkungen von Zufallsfehlern und Störungen des elektrischen Signals zu minimieren, um ein gefiltertes Winkelgeschwindig keitssignal zu erhalten. Dann wird ein M-dimensionaler Dreh momentungleichförmigkeitsvektor, abgeleitet von dem gefil terten Winkelgeschwindigkeitssignal, berechnet. Wenigstens ein Referenzwert des Drehmomentes, basierend auf dem Drehmo mentungleichförmigkeitsvektor, wird errechnet. Das indizier te Drehmoment, welches durch wenigstens einen Zylinder wäh rend eines gegebenen Motorzyklus erbracht wird, wird auf grund der Kurbelwellenwinkelgeschwindigkeit geschätzt. Schließlich wird der wenigstens eine Referenzwert mit dem indizierten Drehmoment verglichen, um ein Fehlzündungssignal zu erhalten.

In einer Ausführung umfaßt der Schritt des Errechnens des wenigstens einen Referenzwertes das Errechnen des gewichte ten Mittels des Drehmomentes des wenigstens einen Zylinders. Alternativ oder zusätzlich zu diesem Schritt schließt der Schritt des Errechnens des wenigstens einen Referenzwertes das Errechnens eines arithmetischen Mittels des Drehmomentes des wenigstens einen Zylinders ein.

Vorzugsweise ist die Brennkraftmaschine mit einer Vielzahl von Zylindern versehen und der Schritt des Errechnens des wenigstens einen Referenzwertes umfaßt das Errechnen des gewichteten Mittels des Drehmomentes für eine Vielzahl von Zylindern. Alternativ oder zusätzlich zu diesem Schritt schließt der Schritt des Errechnens des wenigstens einen Referenzwertes das Errechnens eines arithmetischen Mittels des Drehmomentes für die Vielzahl von Zylindern ein.

Ebenfalls ist ein System zur Durchführung jedes Verfahrens schrittes vorgesehen.

Die Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfin dung werden durch die folgende detaillierte Beschreibung der besten Art und Weise die Erfindung auszuführen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen leicht ersichtlich.

Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm des Verfahrens der vorlie genden Erfindung;

Fig. 2 zeigt ein Blockdiagramm des Systems der vorliegen den Erfindung;

Fig. 3 zeigt ein schematisches Diagramm eines Kurbelwel lenpositionssensors zur Verwendung in der vorlie genden Erfindung;

Fig. 4 zeigt ein Blockdiagramm eines Teils des Systems zum Erhalten einer analogen Spannung, welche pro portional zur Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwel le ist;

Fig. 5A bis 5D zeigen Graphen, die Wellenformen von Win kelgeschwindigkeiten bei verschiedenen Typen von Fehlzündun gen darstellen;

Fig. 6 zeigt einen Graphen einer Drehmoment-Wellenform mit Beispielen von Extremwerten;

Fig. 7 zeigt einen Graphen von typischen Drehmoment Vek tordaten;

Fig. 8 zeigt einen Graphen der Wahrscheinlichkeitsdichte funktion für die Zufallsvariable N bei normalem Motorbetrieb und Fehlzündung in einem Zylinder;

Fig. 9 zeigt einen Blockdiagramm Ablaufplan von dem ver besserten Verfahren gemäß der vorliegenden Erfin dung;

Fig. 10 zeigt einen Graphen der indizierten Drehmoment- Wellenform bei Beschleunigung;

Fig. 11 zeigt einen Graphen des indizierten Drehmoments in jedem Zylinder bei Beschleunigung und zwei ver schiedenen Arten von Durchschnitt (z. B. Verarbeiten der Wellenform aus Fig. 10);

Fig. 12 zeigt einen Graphen der Größe des indizierten Drehmoments und den Durchschnitt für alle Zylinder (im ersten Zyklus);

Fig. 13 zeigt einen Graphen der Größe des indizierten Drehmomentes und den Durchschnitt in allen Zylin dern und einer intermittierenden Fehlzündung in #8 (im zweiten Zyklus);

Fig. 14 zeigt einen Graphen der Größe des indizierten Drehmoments in dem zweiten Zyklus und den Gesamt zylinderdurchschnitt bis zum ersten Zyklus mit einer intermittierenden Fehlzündung in #8; und

Fig. 15 zeigt einen Graphen der Größe des indizierten Drehmoments und den Gesamtzylinderdurchschnitt mit kontinuierlichen Fehlzündung in #8.

In den Fig. 1 und 2 ist ein Verfahren und ein System zum Aufspüren von Fehlzündungen bei einer Kolbenbrennkraftma schinen unter Ausnutzung von Winkelgeschwindigkeitsschwan kungen dargestellt. Wie in Fig. 2 gezeigt, sind für ein solches Aufspüren vier verschiedene Verfahren vorgesehen.

Die Fig. 2 und 3 stellen einen Kurbelwellenpositionssen sor dar, der allgemein mit 20 bezeichnet ist und ein Aus gangssignal V_S erzeugt, welches die Haupteingabe in eine elek tronische Signalverarbeitungsanlage ist, die allgemein mit 22 bezeichnet ist. Eine Vielzahl von Sensorkonfigurationen sind potentiell möglich, einschließlich magnetischer Induk tion, Hall-Effekt, optischer Wirkungsweise etc.

In der Ausführungsform in Fig. 3 ist eine ferromagnetische Scheibe, allgemein mit 24 bezeichnet, mit M in einem ein heitlichen Abstand voneinander angeordneten Ansätzen 26 magnetisch mit dem Sensor 20 gekoppelt. Die Scheibe 24 ist zur Rotation mit der Kurbelwelle 27 einer Brennkraftmaschine mit dieser verbunden.

In dieser Ausführungsform des Sensors 20 umfaßt dieser einen Permanentmagneten 28 um welchen eine Spule 30 gewickelt ist. Der Windungsfluß (magnetic flux linkage) variiert periodisch mit dem Kurbelwellenwinkel R, weil die induktive Kopplung mit dem Abstand zwischen dem Sensor 20 und der Scheibe 24 variiert. Der Abstand ist am geringsten, wann immer ein An satz 26 symmetrisch entlang der Mittellinie (C_L) 32 der Kur belwellenachse 34 und der Spulenachse, wie gezeigt, angeord net ist. Der Windungsfluß für die Spule 30 ist am gering sten, wann immer ein Paar von Ansätzen 26 symmetrisch bezüg lich der Mittellinie angeordnet sind. Die Winkelperiode des periodischen Windungsflusses beträgt Radiant (oder 360°/M Grad), wobei M die Anzahl der Ansätze 26 auf der Scheibe 24 ist.

Wenn die Kurbelwelle 27 um ihre Achse 34 rotiert, erzeugt der Sensor eine Ausgangsspannung V_s(t) gemäß dem Faraday'schen Gesetz. Die augenblickliche Frequenz der Sensorspannung, ω_s(t) verhält sich zu der augenblicklichen Winkelfrequenz ω_e(t) der Kurbelwelle wie folgt:

ω_s(t) = M ω_e(t) (ideales Modell)
ω_s(t) = M ω_o(t) + y(t) (praktisches Modell)

Das praktische Modell beinhaltet den Therm y (t), der ein Pseudo-Zufallsprozeß im Zusammenhang mit Unvollkommenhei ten der Gleichförmigkeit der Kopplung des Sensors mit den Ansätzen 26 auf der Scheibe 24 zu verstehen ist.

Es gibt zwei verschiedene Verfahren zum Erhalten einer Mes sung der Kurbelwellenwinkelgeschwindigkeit aus dem Sensor ausgang: 1) analog und 2) digital. In einem digitalen Ver fahren wird das Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen der Sensorspannung τ_i gemessen. Für jede solche Messung wird eine Schätzung ω_i der Winkelgeschwindig keit erhalten.

In dem praktischen Modell sind die Fehler δR_i und δτ_i jeweils zurückzuführen auf:

δR_i = Fehler aufgrund des Auslaufs und Unvollkommenheiten in der Gleichmäßigkeit der Abstände zwischen den Ansätzen
δτ_i = Zeitintervallfehler

Bei dem digitalen Verfahren gibt es drei Fehlerquellen bei jeder Schätzung von ω_i. Die Zeitfehler im Zusammenhang mit der Messung von τ_i, die Fehler in δR_i aufgrund von Unvollkom menheiten im Zahn zu Zahn Abstand und/oder induktiver Kopp lung und die Fehler in δR_i aufgrund des Auslaufs können durch die digitale Filterung von ω_i reduziert werden. Jedoch er zeugt der Auslauffehler ein Fehlersignal, dessen Spektrum das Spektrum des Signals der Winkelgeschwindigkeit der Ma schine während der Fehlzündungen überlagert und das, im allgemeinen, nicht von den Messungen von ω_i getrennt werden kann.

Das analoge Verfahren der vorliegenden Erfindung wird bevor zugt und ist in Fig. 4 dargestellt. Das Verfahren verwendet einen Analogfrequenz-Analog-Konverter 36 (analog frequency to analog converter) zusammen mit einem variablen Bandpaß durchlaßfilter 38, um eine analoge Spannung zu erhalten, die proportional zu ω_i ist. Der variable Filter 38 ist ein Band paßdurchlaßfilter, dessen Banddurchlauf Frequenzen entspre chend der Durchschnittswinkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle eingestellt werden (z. B. UPM), so daß der Filter wahlweise mit variierender Motorgeschwindigkeit konstant bleibt. Diese motorgeschwindigkeitsabhängige Filterung ist für die Effektivität des Aufspürens von Fehlzündungen gemäß der vorliegenden Erfindung wichtig, da diese ein für alle Motor geschwindigkeiten konstantes Verhältnis von Signal zu Ge räusch und eine wirkungsvolle Signal-Bandbreite schafft, die bei allen Motorgeschwindigkeiten konstant ist. Einer der gewöhnlichen Nachteile von anderen vorgeschlagenen Verfahren ist die Unfähigkeit, genaue Fehlzündungsaufspürung bei hohen Geschwindigkeiten durchzuführen. Das hier besprochenen Ver fahren weist keine derartigen Begrenzungen auf, da, wenn die Motorgeschwindigkeit zunimmt, wenig zusätzliche Geräusche eingebracht werden, obwohl es anerkannt ist, daß bei hohen Motorgeschwindigkeiten die Hockenwelle und hinzukommende Belastungen die Komplexität der Kurbelwellendynamik erhöhen. Jedoch ist eine der Stärken der Frequenzbereichsannäherung, die hier in Hinblick auf die beiden Ausführungen der vor liegenden Erfindung behandelt wird, die Fähigkeit, die Fre quenzbereichskomponente der Kurbelwelle bei der Zündfrequenz (die auf dem Verbrennungsereignis beruht) von solchen stö renden Ereignissen wie oben beschrieben zu trennen, wodurch das Aufspüren von Fehlzündungen bei allen Motorge schwindigkeiten vereinfacht wird.

Das gleiche wird ebenfalls durch die Zeitbereichsannäherung erreicht, die hier ebenfalls beschrieben wird. Aufgrund des optimalen Filteralgorithmus, der die höheren Oberschwingun gen des Winkelgeschwindigkeitssignals gleichmäßig bei allen Motorgeschwindigkeiten eliminiert, und aufgrund der Tatsa che, daß der Fehlzündungsvorgang nur Energie bei Unter schwingungen der Motorzündfrequenz erzeugt, erreicht die Zeitbereichsannäherung ein gutes Aufspüren von Fehlzündungen in der Gegenwart von zusätzlichen Vibrationen, die durch solche Faktoren wie zusätzliche Nockenwellenbelastung oder Straßen - verursachte Erregung des Antriebsstrangs (drive line) induziert werden.

Ein anderer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Fä higkeit, einzelne Fehlzündungszylinder zu unterscheiden. Dies wird mittels eines sogenannten Motorzyklussignals er reicht. Das Signal wird einmal für jeden Motorzyklus (z. B. einmal für jeweils zwei Umdrehungen eines Viertaktmotors und einmal pro Umdrehung für einen Zweitaktmotor) erzeugt. Typi scherweise wird ein solches Signal durch einen Sensor 40 erzeugt, der an einem spezifischen Punkt der Motornockenwel le 42, wie in Fig. 2 gezeigt wird, aktiviert wird. Z. B. kann ein magnetischer Sensor in der Nähe eines Ansatzes auf der Nockenwelle positioniert werden. Ein Spannungspuls wird jedesmal erzeugt, wenn dieser Ansatz sich an der Sensorachse vorbeidreht.

Die erfolgreiche Durchführung des Verfahrens zum Aufspüren von Fehlzündungen von drei der Ausführungen der vorliegenden Erfindung erfordert Algorithmen, welche in der Lage sind, das relative Drehmoment, das von jedem Motorzylinder erzeugt wird, aus der gemessenen Winkelgeschwindigkeit des Motors zu schätzen; die vierte Ausführungsform verwendet die Winkelge schwindigkeitswellenform direkt. Zwei der Ausführungsformen bestehen aus dem Abtasten der Extrema entweder der Winkelge schwindigkeit oder der Drehmomentwellenform, um einen M- dimensionalen Ungleichförmigkeitsvektor zu erhalten, und werden in dem Zeitbereich verwendet; die verbleibenden zwei Ausführungsformen erfordern das Konvertieren entweder der Winkelgeschwindigkeitswellenform oder der Drehmomentwellen form in den Frequenzbereich durch eine Frequenzbereichs transformation, um einen M-dimensionalen Ungleichförmig keitsvektor zu erhalten. Die folgenden Abschnitte beschrei ben die Prinzipien sowohl des Frequenzbereichsverfahrens als auch des Zeitbereichsverfahrens. Ein M-dimensionaler Vektor der Ungleichförmigkeit des Motordrehmoments, der die Identi fizierung von Motorfehlzündungen auf einer Zylinder nach Zylinder und Zyklus nach Zyklus Basis erlaubt, kann durch jede der oben beschriebenen Ausführungsformen erhalten wer den.

Verfahren 1: Zeitbereich

Dieser Abschnitt beschreibt den bevorzugten Algorithmus für die Berechnung eines M-dimensionalen Ungleichförmigkeitsvek tors, der entweder aus den Extrema des Motordrehmoments oder den Extrema der Motorwinkelgeschwindigkeitswellenform be steht, basierend auf den Messungen der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle. Experimente haben gezeigt, daß die Extrema der Motordrehmomentwellenform im allgemeinen eine bessere Identifizierung von Motorfehlzündungen erlaubt; deshalb wird sich die Diskussion auf die Berechnung der Extrema der Dreh momentwellenform konzentrieren. Unter einigen Umständen können jedoch die Extrema der Winkelgeschwindigkeitswellen form ebenso wirkungsvoll für die Fehlzündungsaufspürung verwendet werden.

Wie in der Dissertation von G. Rizzoni "A Model For The Dynamics Of The Internal Combustion Engine" dargestellt ist, ist es erforderlich, um die Drehmomentwellenform von der Winkelgeschwindigkeitswellenform zu errechnen, die Dynamik der rotierenden Baugruppen des Motors und die Effekte der wechselseitigen Bewegung der Kolben/Kurbelstangenanordnung zu berücksichtigen. Das Prinzip, dem das Verfahren zur Re konstruktion des Motordrehmoments aus der Winkelgeschwindig keit unterliegt, basiert auf der Vorstellung, daß das Dreh moment, welches die Kurbelwelle beschleunigt und deshalb die gemessenen Schwankungen in der Winkelgeschwindigkeit ver ursacht, auf der Überlagerung von zwei Effekten beruht: i) durch Verbrennung erzeugte Kräfte; und ii) Schwingungskräf te. Deshalb kann das Nettodrehmoment T_e (R), des Motors, das die Kurbelwelle 27 beschleunigt, als eine Funktion des Kur belwinkels R wie folgt ausgedrückt werden:

T_e(R)=T_i(R)+T_r(R),

wobei T_i(R) das indizierte Drehmoment ist, das durch Verbren nungskräfte erzeugt wird, und T_r(R) das wechselseitig wir kende Trägheitsmoment ist, das durch Schwingungskräfte er zeugt wird. Das Nettomotordrehmoment T_e(R) beschleunigt die Kurbelwelle 27, wodurch Oszillationen in der augenblicklichen Winkelgeschwindigkeit ω(R) verursacht werden. Deshalb setzt sich die Winkelgeschwindigkeitswellenform aus drei Komponen ten zusammen: die erste besteht aus Geschwindigkeitsschwan kungen welche infolge des Verbrennungsprozesses auftreten, die zweite beruht auf unvermeidbaren wechselseitig wirkenden Trägheitsmomenten aufgrund der Geometrie des Kurbel-Gleitme chanismus (crank-slider mechanism), der die durch die Ver brennung erzeugten Kräfte auf die Kurbelwelle überträgt; die dritte beruht auf der Überlagerung von anderen Kräften, die ein Oszillieren der Kurbelwelle 27 um ihre Achse 34 erregen, einschließlich Resonanzen, straßenverursachte Vibrationen und zusätzliche Belastungen. Der Nettoeffekt aller dieser Komponenten wird als im wesentlichen aus ungerichtetem Ge räusch bestehend erachtet. Der folgende Ausdruck stellt die Unterteilung dar:

ω(R) = ω_i(R)+w_r(R)+ε_ω(R).

Wie in der oben erwähnten Dissertation von G. Rizzoni be schrieben, kann eine Schätzung des motorindizierten Drehmo ments T_i(R) aus einer Messung der Motorwinkelgeschwindigkeit ω(R) zunächst durch die Berücksichtigung der Dynamik der rotierenden Teile bestehend aus Kurbelwelle, Schwungrad, Schwingungsdämpfer, Übertragungs- und Antriebsstrang, hier als die Impulsübertragung der Rotationsanordnung h(R) be zeichnet, erhalten werden, gegeben durch die Faltung des Nettomotordrehmoments T_e(R) mit der Impulsübertragung der rotierenden Teile des Motors:

ω(R)=T_e(R)*h(R).

Die oben erwähnte Dissertation lehrt, wie die oben gegebene Gleichung umzustellen ist, um T_e(R) aus einer Messung von ω(R) zu erhalten. Wenn das Motordrehmoment T_e(R) bekannt ist, kann das indizierte Drehmoment, welches durch die Verbren nungskräfte erzeugt wird, durch Subtraktion von T_r(R) von T_e(R) erhalten werden:

T_i(R)=T_e(R)-T_r(R).

Der Korrekturterm für die wechselseitig wirkenden Trägheits momente ergibt sich aus dem Produkt einer bekannten Funktion des Kurbelwinkels f(R) mal der äquivalenten Masse der sich hin und her bewegenden Teile mal dem Quadrat der durch schnittlichen Motorgeschwindigkeit. Die Funktion f(R) ist durch die Geometrie der wechselseitig wirkenden Teile be stimmt und kann für jede gegebene Motorklasse vorberechnet werden. Ein angenäherter Ausdruck für die wechselseitig wirkenden Trägheitsmomente ist durch die nachfolgende Glei chung für einen Vierzylinderreihenmotor gegeben; ein ent sprechender Ausdruck kann für Sechs- und Achtzylindermotoren in verschiedenen Konfigurationen erhalten werden. Die nach folgende Annäherung ist zur Schätzung des indizierten Dreh moments unter Verwendung der oben gegebenen Gleichung ge eignet:

wobei R der Kurbelhub ist, die durchschnittliche Motor drehzahl UPM, L die Kurbelstangenlänge, R der Kurbelwinkel und M_eq die equivalente Masse der wechselseitig wirkenden Teile. Die Werte der Funktion f(R) können vorberechnet wer den und in einer Tabelle zur Verwendung durch einen Prozes sor zum Berechnen der wechselseitig wirkenden Trägheitsmo mente bei jeder gegebenen Motordrehzahl abgespeichert wer den.

Die Schätzung des indizierten Drehmomentes, die durch das oben beschriebene Verfahren erhalten wird, bildet die Basis des Verfahrens zur Aufspürung von Fehlzündungen, welches hier offenbart ist. Da T_i(R) in direkter Beziehung zu den Verbrennungskräften steht, erlaubt die Kenntnis der augen blicklichen T_i(R) Wellenform eine Bestimmung ob eine normale oder abnormale Verbrennung stattfand und deshalb die Auf spürung von Fehlzündungen. Es muß jedoch angemerkt werden, daß durch die Gegenwart einer Zufallskomponente εω(R) in der gemessenen Geschwindigkeitswellenform die Schätzung des indizierten Drehmoments mit Zufallsfehlern berechnet worden ist. Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, diese Ef fekte solcher Zufallsfehler durch die Verwendung statisti scher Entscheidungstheorie, wie in einem späteren Abschnitt noch gezeigt wird, zu minimieren.

Die Drehmomentungleichförmigkeitsmessung ist von Proben der Extremwerte der Drehmomentwellenform abgeleitet, wie in Fig. 6 gezeigt wird. Fig. 7 stellt typische Drehmoment-Vektor daten dar.

In Fig. 6 ist das Drehmoment T_i(R) als eine Funktion des Kur belwellenwinkels R dargestellt. Jeder Zyklus stellt das Drehmoment dar, das durch einen bestimmten Zylinder erzeugt wird. Durch Abtasten von T_i(R) bei den Extremwerten, werden die wesentlichen Merkmale der Ungleichförmigkeit erhalten. Dies trifft zu, weil die Form der Drehmomentwellenformen zwischen den Verbrennungsereignissen durch den Verbrennungs druck als eine Funktion des Kurbelwinkels und durch die Kurbelgleitgeometrie (crank-slider) des Motors bestimmt wird. Die Kurbelwellenwinkel und zugehörigen Drehmomente bei den Extremwerten sind wie folgt bezeichnet:

R_n = Kurbelwellenwinkel für das relative Maximum in Verbindung mit Zylinder n
Rⁿ = Kurbelwellenwinkel für das relative Minimum im Zusammenhang mit Zylinder n
T_n = T_i(R_n)
Tⁿ = T_i(Rⁿ)
n = 1, 2, . . . N

Diese Werte werden für jeden Motorzyklus erhalten und ein M - dimensionaler Vektor wird errechnet, wobei M=2N in der bevorzugten Ausführungsform und wobei die Überschrift ^T die Transponierung des Vektors bezeichnet.

T ^T = [T₁, T¹, . . . T_n, Tⁿ]

Der Durchschnittswert für die zwei N Komponenten T_av wird dann erhalten.

Der a 2N-dimensionale Vektor, der die Drehmomentungleichförmigkeit darstellt, wird berechnet.

n = T - T_av u

wobei u ^T = [1, -1, 1, -1, . . .] ein 2N-dimensionaler Vektor ist.

Ein N-dimensionaler Vektor von Drehmomentextrema (in welchem M=2N in dieser Ausführungsform ist und N die Anzahl der Zylinder darstellt), kann

n = T - T_av u

verwendet werden, um den Zylinder (die Zylinder), der für den Fehlzündungszustand verantwortlich ist, wirkungsvoll zu isolieren, wie später kurz erklärt wird.

Verfahren 2: Frequenzbereich

Dieser Abschnitt beschreibt den bevorzugten Algorithmus für die Berechnung eines M-dimensionalen Ungleichförmigkeitsvektors, bestehend aus dem spektralen Inhalt des relativen indizierten Drehmoments, das von jedem Zylinder während eines Zyklus erzeugt wird. Gemäß dem Ablaufdiagramm aus Fig. 1 sind zwei Ausführungsformen möglich: die erste trans formiert die zeitbereich-indizierte Drehmomentwellenform, die berechnet wurde wie in dem vorhergehenden Abschnitt dargestellt, in ein Frequenzbereichsequivalent unter Ver wendung einer Frequenzbereichstransformation. Die zweite Ausführungsform wendet direkt auf die gemessene Winkelge schwindigkeitswellenform eine Frequenzbereichstransformation an und berechnet dann das indizierte Drehmoment, das durch jeden Zylinder in dem Frequenzbereich erzeugt wird, wie kurz erklärt werden wird. Das Ergebnis jeder dieser Verfahren ist ein M-dimensionaler Drehmomentungleichförmigkeitsvektor, der in einem statistischen Entscheidungsalgorithmus zur Aufspü rung von Fehlzündungen verwendet werden kann. Das Frequenz bereichsverfahren kann noch effektiver zum Aufdecken der Drehmomentinformation des einzelnen Zylinders sein, was zur Aufdeckung von Fehlzündungen führt.

Sei λ die Winkelfrequenz, welche eine kanonische Konjugation zum Kurbelwinkel ist, und sei f ein Kurbelwinkel zur wink ligen Frequenzbereichstransformation, so wie z. B. die dis krete Fourier-Transformation (Diskrete Fourier Transform DFT) die an einer Reihe von Proben der analogen Geschwindig keitswellenformen durchgeführt wurde. Die Gleichung, welche verwendet werden soll, ist die folgende:

f (ω(R_n))=Ω(λ),

wobei ω(R_n) eine abgetastete Version der analogen Winkelge schwindigkeitswellenform ist, Abtastung bei R=R_n.

Wie in der bereits erwähnten Dissertation von G. Rizzoni dargestellt wurde, kann die schon früher ausgedrückte und nachfolgend der Einfachheit halber wiederholte Beziehung zwischen Motorwinkelgeschwindigkeit und Motordrehmoment

ω(R)=T_e(R)*h(R),

auch in dem Frequenzbereich durch die wohlbekannte Faltungs eigenschaft linearer Systeme gemäß der folgenden Gleichung ausgedrückt werden:

Ω(λ)=T_e(λ)H(λ),

wobei H(λ) der Übertragungsfrequenzgang der Motorrotations dynamik ist und experimentell für eine gegebene Motorklasse ermittelt werden kann. Basierend auf dieser Gleichung kann das Motordrehmoment T_e(λ) des Frequenzbereichs durch die Gleichung

T_e(λ)=Ω(λ)H^-1(λ),

berechnet werden. Das indizierte Drehmoment des Frequenzbe reichs kann deshalb entsprechend der Gleichung

T_i(λ)=T_e(λ)-T_r(λ),

errechnet werden, wobei T_r(λ) durch eine Frequenzbereichs transformation der wechselseitig wirkenden Trägheitsmomente T_r(R) des Zeitbereichs erhalten werden kann:

T_r(R) = f (T_r(R)).

Die Spektren von ω(R) und von T_r(R), Ω(λ) und T_r(λ) jeweils können exakt mittels einer Frequenzbereichstransformation (z. B. DFT) aufgrund der periodischen Natur der Motorrota tion und den Verbrennungskräften als eine Funktion des Kur belwinkels R errechnet werden. Weiterhin, wie in der oben erwähnten Dissertation von G. Rizzoni dargestellt, ist die meiste Energie im Verbrennungsprozeß bei der Motorzündfre quenz, hiernach mit λ_f bezeichnet, konzentriert. Deshalb ist die Berechnung des indizierten Drehmoments für jeden Zylin der in dem Frequenzbereich stark vereinfacht, wenn sie bei einer einzigen Frequenz λ_f durchgeführt wird.

T_i(λ_f) = T_e(λ_f) - T_r(λ_f)
= Ω(λ_f)H⁻¹(λ_f) - T_r(λ_f)

Deshalb kann die Entdeckung des indizierten Drehmoments, welches von jedem Zylinder bei der Zündfrequenz erzeugt wird, durch Berechnen einer Frequenzbereichstransformation der Winkelgeschwindigkeitswellenform, welche bei den dis kreten Kurbelwinkeln R_n abgetastet wird, erreicht werden, wobei die Abtastung synchron mit der Kurbelwinkelposition erfolgt, wobei die Frequenzbereichstransformation nur bei der Frequenz λ_f errechnet wird, gefolgt durch die Multiplika tion mit dem inversen Übertragungsfrequenzgang der rotieren den Teile des Motors, der bei λ_f bestimmt wurde und durch eine Korrektur für das wechselseitig wirkende Trägheitsmo ment des Frequenzbereichs, ebenso bei λ_f bestimmt. Es ist ein deutlicher Vorteil des Verfahrens, daß nur die Berechnung einer einzigen Frequenzkomponente von ω(R) und die Speiche rung einer einzigen Frequenzkomponente von T_r(R) in einer Tabelle erforderlich ist. In diesem Fall ist M=N, wobei N die Anzahl von Zylindern ist. Es ist jedoch möglich das gleiche Ergebnis durch Betrachten einer Vielzahl von Fre quenzkomponenten bestehend aus Oberschwingungen und Unter schwingungen der Motorzündfrequenz λ_f zu erhalten, wenn es gewünscht ist. In dem letzten Fall ist M ein ganzzahliges Vielfaches von N, das durch die Anzahl von Frequenzkomponen ten bestimmt ist, die zur Darstellung des indizierten Dreh moments für jeden Zylinder verwendet werden.

Eine weitere Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens besteht aus dem Transformieren des indizierten Drehmoments, das gemäß dem Zeitbereichsverfahren, das in dem vorhergehen den Abschnitt beschrieben wurde, errechnet wurde und durch die Gleichung

T_i(R)=T_e(R)-T_r(R),

beschrieben wurde in ein Frequenzbereichsequivalent T_i(λ) mittels einer Frequenzbereichstransformation nach dem Ab tasten der indizierten Drehmomentwellenform T_i(R) bei dis kreten Kurbelintervallen R_n, um eine diskrete indizierte Drehmomentfolge T_i(R_n) zu erhalten. Das resultierende indi zierte Drehmoment des Frequenzbereichs T_i(λ) ergibt ebenfalls einen M-dimensionalen Vektor der Drehmomentungleichförmig keit wie oben beschrieben wurde.

Die Werte des indizierten Drehmoments, welche durch jedes der oben beschriebenen Ausführungsformen für jeden Motorzy linder aus einem M-dimensionalen Vektor der Drehmomentun gleichförmigkeit errechnet wurden, können in einem statisti schen Entscheidungsalgorithmus zum Aufspüren von Motorfehl zündungen, wie in dem nächsten Abschnitt erklärt wird, ver wendet werden.

Eine Verbesserung des Fehlzündungsaufspürungsverfahrens und einer Einrichtung, wie sie im vorliegenden Abschnitt be schrieben ist, ist in der Fig. 9 und auch folgend darge stellt. In dem vorhergehend beschriebenen Verfahren wird das augenblicklich indizierte Drehmoment in dem Frequenzbereich, basierend auf Messungen der abgetasteten augenblicklichen Kurbelwellenwinkelgeschwindigkeit,

ω(R_n)=+ω_ac(R_n)

geschätzt, wobei die Durchschnittswinkelgeschwindigkeit (UPM) ist und ω_ac(R_n) die Abweichung von der augenblickli chen Winkelgeschwindigkeit aufgrund von Zylinderzündereig nissen ist. Wie oben dargestellt ist, beinhaltet das Fre quenzbereichsverfahren das Berechnen einer Frequenzbereichs transformation des Signals der Motorwinkelgeschwindigkeit, z. B.:

Ω(λ) = f { + ω_ac(R_n)} = DFT { + ω_ac(R_n)} bei λ = λ_f

In der vorliegenden Erfindung wird die Winkelgeschwindigkeit wie folgt modifiziert:

ω′(R_n) = [ + ω_ac(R_n)]² - ω² = 2 ω_ac(R_n) + ω_ac2(R_n)

dann wird ein Fenster w(R_n) in der modifizierten Winkelgeschwindigkeitssequenz angebracht, um einen Ausschnitt aus der Winkelgeschwindigkeitssequenz (R_n) (windowed angular speed sequence) zu erhalten, so daß

wobei w(R_n) eine Fensterfunktion nach Wahl ist. Die Wahl der Fensterfunktion wird unter Verwendung gut bekannter digita ler Signalverarbeitungskriterien und mit Hinsicht auf die Tatsache durchgeführt, daß das Fenster mit dem Verfahren zum Aufspüren von Fehlzündungen eine optimale Leistungsfähigkeit gibt. Verschiedene Auswahlen von Fensterfunktionen sind verfügbar einschließlich "Hamming, Hanning, dreieckige etc.".

Die Frequenzbereichstransformation der Fensterfunktion wird dann berechnet, z. B.:

und der M-dimensionale Drehmomentungleichförmigkeitsvektor wird dann wir oben beschrieben berechnet.

Noch eine andere Verbesserung in dem Frequenzbereichsver fahren ist dadurch möglich, daß ein abgetastetes Motorwin kelgeschwindigkeitssignal erhalten wird, bei welchem die Durchschnittsmotorwinkelgeschwindigkeit entfernt ist:

ω′′(R_n)=ω_ac ²(R_n).

Dann werden, wie oben beschrieben, diese Eingabedaten gefen stert (windowed) was folgende Beziehung ergibt:

Fehlzündungsaufspürung

Wenn das Drehmoment, das durch einen Motor während eines gegebenen Zyklus erzeugt wird, absolut gleichmäßig wäre, dann wäre n ein M-dimensionaler Nullvektor. In Wirklichkeit ist n niemals ein Nullvektor aufgrund der zyklischen Varia bilität der Verbrennung und aufgrund von Fehlzündungen, wenn sie vorhanden sind. Ein metrisches n wird errechnet, um die Drehmomentungleichförmigkeit darzustellen und um Fehlzündun gen aufzuspüren, wobei dies als Drehmomentungleichförmig keitsindex oder Maß bezeichnet wird. Dieses Maß wird durch Bestimmen der Norm eines Vektors, der die Abweichung von der idealen Maschinenleistung, die durch Ungleichförmigkeiten in der Erzeugung von Drehmoment verursacht werden, anzeigt.

Jede L_P Norm ist geeignet zum Zwecke des Aufspürens von vorhandenen Fehlzündungen; die geläufigsten Auswahlen sind:

n = ∥n∥1 L₁ Norm
n = ∥n∥2 L₂ Norm

obwohl jede Norm von n für die Fehlzündungsaufspürung aus reicht, wird normalerweise die L₁ Norm bevorzugt, weil sie effektiver berechnet werden kann (sie erfordert keine Qua drat- und Wurzeloperationen und kann im ganzzahligen arith metischen Format errechnet werde, wodurch die "an Bord" Berechnung und Fehlzündungsaufspürung erleichtert wird). Die Aufspürung von Fehlzündungen wird aufgrund einer statisti schen Hypothesen-Testgrundlage durchgeführt. Fig. 8 zeigt einen Graphen der Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion für die Zufallsvariable n unter zwei Hypothesen

H₀: normaler Motorbetrieb
H₁: Fehlzündung in einem Zylinder (nicht notwen digerweise die gleiche für jede Zyklus).

Die linke Verteilung in Fig. 8 stellt die Statistik der Zufallsschwankungen der Zufallsvariable n für normalen Mo torbetrieb dar. Diese Verteilung resultiert aus der normalen zyklischen Variabilität der Verbrennung. Die Verteilung auf der rechten Seite entspricht der Statistik des Ereignisses einer Fehlzündung in jedem Motorzyklus. Die Verteilung ist die gleiche ohne Rücksicht darauf, in welchem Zylinder die Fehlzündung stattfindet. Die Zylinderzahl der einzelnen Fehlzündungen kann sich zufälligerweise von Zyklus zu Zyklus ändern.

Das Aufspüren von Fehlzündungen kann auf eine Vielzahl von Kriterien gemäß der statistischen Entscheidungstheorie be gründet sein. Ein besonders einfacher Test kann für den Ungleichförmigkeitsindex n für jeden Motorzyklus verwendet werden, in dem eine Schwelle n_t in der Mitte zwischen zwei Mittelwerten n_H0 für normalen Betrieb und n_H1 für Fehlzündung ausgewählt wird, z. B.:

Diese besondere Auswahl von Schwellen entspricht der Zuord nung von gleichen Kosten für falsche Alarme und verpaßte Aufspürungen.

Das folgende Kriterium für Fehlzündungsaufspürung wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel verwendet.

n<n_t Fehlzündung
n<n_t normaler Betrieb.

Bei einem solchen Verfahren gibt es zwei Arten von Fehlern:

1. n < n_t für einen Fehlzündungszyklus
2. n < n_t für einen normalen Zyklus

Die Wahrscheinlichkeit für solche Fehler ist:

Aus tatsächlichen experimentellen Daten geht hervor, daß die Fehlerrate für einen typischen Motor geringer als 0,5% ist. Die statistische Sicherheit für Fehler dieser Rate ist grö ßer als 99%.

Die oben beschriebene Berechnung des Ungleichförmigkeits maßes wird verwendet, um das Auftreten einer Fehlzündungs bedingung zu entdecken. Wenn eine solche Bedingung entdeckt wird, ergibt sich das Problem, den (die) fehlerhaften Zylin der zu isolieren.

Jede Fehlzündungsstruktur ist durch den spezifischen Vektor n ^k gekennzeichnet, wobei der Index k dem Typ von Fehlzün dungstruktur entspricht. Z. B. könnte k=0 der Bedingung "keine Fehlzündung" entsprechen, k=1 "Fehlzündung in Zy linder Nr. 1", k=3,1 "Fehlzündung in Zylindern Nr. 3 und 1". Deshalb ist jede Fehlzündungsbedingung durch eine ein zigartige Vektorkennzeichnung charakterisiert. Die Fig. 5a bis 5d stellen einige typische Fehlzündungskennzeichnun gen oder Wellenformen für Einzel- und Doppelzylinderfehlzün dungen in einem V-6 Motor dar, wobei die Fehlzündung jeweils in dem Zylinder (den Zylindern) n; n, n+1; n, n+2; und n, n+3 stattfindet. Die Figuren entsprechen den tatsächli chen Motordaten. Der oben beschriebene Algorithmus konver tiert die abgetasteten Geschwindigkeitswellenformen, welche in den Fig. 5a bis 5d gezeigt sind, in 2N-Vektoren von Extrema.

Jeder der Vektoren n ^k erzeugt einen Punkt in dem 2N-dimensio nalen euklidischen Raum. So viele Punkte wie Fehlzündungs bedingungen können in diesem Raum dargestellt werden. Das Strukturerkennungsproblem besteht darin, zu bestimmen, wel chem Punkt der beobachtete Vektor der Extrema am nächsten ist (basierend auf einem normalen Maß), was die bekannte Fehlzündungsstruktur ergibt. Der Abstand zwischen der Be trachtung und jedem der Punkte im 2N-Raum wird durch den kürzesten Vektor dargestellt, gemäß dem Prinzip der orthogo nalen Projektion. Dieser Abstand δ sei wie folgt in Vektor form definiert:

w ^k=n ^k-n.

Wobei n der betrachtete Vektor der Extrema entsprechend eines spezifischen Motorzyklusses ist. Dann ist das Problem der Isolierung des Fehlzündungszylinders auf das Berechnen einer Norm von δ^k (jede L_P Norm genügt) und das Finden des Minimumwerts: min {∥δ∥} reduziert. Dieses Minimum bezeichnet "nächste Nachbarn" und isoliert deshalb den nächsten Zylin der (die nächsten Zylinder), der die höchstwahrscheinliche Ursache für die Fehlzündung ist. An Serienfahrzeugen durch geführte Experimente habe gezeigt, daß, wenn die Klassifika tion des nächsten Nachbarn auf der Basis eines einzigen Zyklus der Motorgeschwindigkeitsdaten durchgeführt wird, die richtige Klassifikation mit einer Fehlerrate von 3 unrichti gen Klassifikationen in 1000 Zyklen erfolgt. Wenn der Durchschnitt von zwei aufeinanderfolgenden Zyklen berechnet wird, zeigten die Experimente keine Fehler über eine Abtast weite von 5000 Zyklen.

Indiziertes Drehmoment jedes Zylinders

Das indizierte Drehmoment eines jeden Zylinders ist durch den Verbrennungsprozeß nach der Zündung gekennzeichnet und ein wichtiger Teil dieses Prozesses ereignet sich im Früh stadium des Arbeitshubs eines jeden Zylinders. Mit anderen Worten, ein Motorzyklus ist durch die Anzahl der Zylinder geteilt, vom Anfang des Motorzyklus, z. B. dem oberen Tot punkt des ersten Zylinders, und in jeder Abteilung finden hauptsächlich aufgrund der Verbrennung in jedem Zylinder Vorgänge statt. Das Verfahren, das indizierte Drehmoment jedes Zylinders zu schätzen basiert auf dieser Vorstellung. Wenn eine diskrete Fourier Transformation (DFT) auf das indizierte Drehmoment in jeder Abteilung angewendet wird, stellt deshalb die erste Oberschwingung des indizierten Drehmoments in jeder Abteilung die Verbrennung in jedem Zylinder dar. Diese Größe stellt nur die AC-Komponente des indizierten Drehmoments aufgrund jeder Verbrennung dar, aber aufgrund der Beziehung zwischen der AC-Komponente und der DC-Komponente des indizierten Drehmoments, wird die DC-Kom ponente ebenso geschätzt.

Um die Zylinder zu identifizieren, in welchen die Fehlzün dung stattfindet, nehme man den 2N-dimensionalen Vektor der Motorgeschwindigkeitsabweichung, der die N-Minima und N- Maxima enthält, wobei N die Anzahl der Zylinder darstellt, und nehme die Amplitude eines jeden Paars von Minimum und Maximum. Jede Amplitude stellt das indizierte Drehmoment ihres jeweiligen Zylinders dar. Die Kombination dieses Ver fahrens und guter Analogbandpaßdurchlaßfilter (welche andere Frequenzkomponenten, die ohne Interesse sind, eliminieren und die Extrema deutlicher machen) kann die Rechenbelastung für einen Mikroprozessor verringern. Ein Merkmal diese Ver fahrens ist, daß es unempfindlich gegen Geräusche ist, wel che nicht durch Analogfilter geschwächt wurden. Trotz einer Anzahl von Extrema, die größer als die Anzahl von der Zylin der ist, wird die Größe des indizierten Drehmoments jedes Zylinders, die durch dieses Verfahren errechnet wurde, nicht durch Geräusch beeinflußt.

Fehlzündungsaufspürung

Aus der fortschreitenden Beschreibung der Mittel zur Berech nung des Drehmomentsungleichförmigkeitsvektors T, der entwe der entsprechend des Zeitbereichs- oder des Frequenzbe reichsverfahrens erhalten wurde, ist eine verbesserte Mög lichkeit der Fehlzündungsaufspürung im Hinblick auf rapide Beschleunigung oder Verzögerung oder im Hinblick aufinter metierende Fehlzündungen möglich. Diese Verbesserungen sind dergestalt, daß das Drehmoment in einem Zylinder während eines gegebenen Motorzyklus mit den gewichteten Mitteln des Drehmoments für diesen Zylinder für vorhergehende Zyklen oder mit den gewichteten Mitteln von N vorhergehenden Zylin dern verglichen wird.

Bei dem dritten Pfad der Fehlzündungsaufspürung aus Fig. 1, wird eine Referenzgröße oder ein Referenzwert aus dem Dreh momentungleichförmigkeitsvektor, wie nachstehend noch be schrieben wird, berechnet. Zwei Referenzgrößen, wie nachste hend erklärt wird, werden abhängig von den Betriebsbedingun gen berechnet.

Für die Aufspürung von Fehlzündungen unter schwingenden Bedingungen wird ein gewichtetes Mittel einem einfachen arithmetischen Mittel vorgezogen, um einen Wert zu erhalten, der aufgrund der vorhergehenden Verbrennung näher an die Größe des indizieren Drehmoments heranreicht. Die Fig. 10 zeigt ein indiziertes Drehmoment mit ansteigender Größe, von welchem angenommen wird, daß es die Beschleunigung dar stellt. Fig. 11 zeigt die Größe des indizierten Drehmoments von jedem Zylinder. Die gestrichelte Linie stellt das arith metische Mittel von Zylinder Nr. 1 bis Zylinder Nr. 8 dar und die gepunktete Linie stellt das gewichtete Mittel für die gleichen Zylinder dar. Diese Mittel sind gegeben durch:

wobei

T_N = Durchschnitt des indizierten Drehmoments für vorhergehende N Zylinder;
|T_k| = die Größe des indizierten Drehmoments für den k-ten Zylinder;
a_k = Wichtung für |T_k|;

mit

Das gewichtete Mittel zeigt einen Wert an, der näher an die Größe des 8. Zylinders (die vorhergehende Verbrennung fand dort statt) heranreicht als das arithmetische Mittel. Die Verteilung der Wichtung kann in verschiedener Art und Weise entsprechend der Beschleunigungs- und Verzögerungscharak teristik des Motors oder für spezielle Zwecke ausgewählt werden. Wenn z. B. eine höhere Beschleunigung verfolgt wer den soll, kann eine höhere Wichtung für den vorhergehenden Zylinder verwendet werden und wenn das Bedürfnis besteht, die Schwankungen zwischen jedem Zylinder zu vernachlässigen, kann eine nahezu gleiche Gewichtung verwendet werden.

In dem verbesserten Verfahren zum Aufspüren von Fehlzündun gen werden zwei Arten von Durchschnitten für die Größe des indizierten Drehmoments verwendet. Der eine ist der Durch schnitt von einigen vorhergehenden Zylindern und der andere ist der Durchschnitt von einigen vorhergehenden Motorzyklen für jeden Zylinder. Der erstere wird als Index für eine normale Verbrennung zur Aufspürung eines fehlzündenden Zy linders verwendet und der letztere ist notwendig, um eine intermittierende Fehlzündung von einer kontinuierlichen Fehlzündung in Kombination mit dem ersteren zu unterschei den.

Der Einfachheit halber wird der erste Durchschnitt "Gesamt zylinderdurchschnitt" genannt und der letzte Durchschnitt "Einzelzylinderdurchschnitt" genannt. Das Verfahren der gewichteten Mittel bzw. des gewichteten Durchschnitts wird verwendet, um den "Gesamtzylinderdurchschnitt" und den "Ein zelzylinderdurchschnitt" zu berechnen.

Der "Gesamtzylinderdurchschnitt" für die vorhergehenden N Zylinder kann durch die Gleichungen (a) und (c) berechnet werden. Der "Einzelzylinderdurchschnitt" des Nr. j Zylinders für die vorhergehenden L Motorzyklen ist gegeben durch:

wobei

T_L(j) "Einzelzylinderdurchschnitt" des Nr. j Zylinders für die vorhergehenden L Zyklen;
|T_k| = Größe des indizierten Drehmoments des Nr. j Zylinders im k-ten Zyklus; und

Um durch Simulation darzustellen, wie die beiden Arten von Durchschnitt des indizierten Drehmoments verwendet werden, um eine intermittierende Fehlzündung von einer kontinuierli chen Fehlzündung zu unterscheiden, wird die Größe des indi zierten Drehmoments für zwei Motorzyklen eines 8-Zylindermo tors vorbereitet, wobei eine Fehlzündung in Zylinder Nr. 8 im 2. Zyklus stattfindet. Einige Schwankungen werden in die Größe jedes Zylinders eingebaut, Zylinder für Zylinder, und es wird der Einfachheit halber angenommen, daß die Größe für jeden Zylinder vor dem 1. Zyklus einheitlich ist.

In Fig. 12 stellt die durchgezogene Linie die Größe des indizierten Drehmoments jedes Zylinders im 1. Zyklus dar und die gestrichelte Linie stellt den "Gesamtzylinderdurch schnitt" dar, welcher von dem Zylinder Nr. 1 im ersten Zy klus begonnen hat und sich in dem 2. Zyklus fortsetzt. Der Unterschied zwischen der Größe des Drehmoments jedes Zylin ders und dem "Gesamtzylinderdurchschnitt" des Drehmoments ist sehr gering und wir nehmen deshalb an, daß keine Fehl zündung stattfand.

Fig. 13 zeigt die Größe des indizierten Drehmomentes für jeden Zylinder und den "Gesamtzylinderdurchschnitt" im 2. Zyklus. Eine Fehlzündung kann in Zylinder Nr. 8 aufgespürt werden, weil die Größe von Zylinder Nr. 8 im Vergleich zu dem "Gesamtzylinderdurchschnitt" sehr klein wird. Um zu beurteilen, ob eine Fehlzündung stattfindet oder nicht, werden deshalb Schwellenwerte gesetzt, aber die Werte dieser Schwellenwerte sind sehr stark abhängig vom Zweck des jewei ligen Anwendungsfalls und werden in der speziellen Gestal tung des Systems klar bestimmt.

Fig. 15 zeigt die Größe des indizierten Drehmoments im 2. Zyklus und den "Einzelzylinderdurchschnitt" bis zum 1. Zy klus. Der Unterschied zwischen den beiden Linien in Zylinder Nr. 8 ist ebenfalls groß. Das bedeutet, daß bis zum 2. Zy klus in Zylinder Nr. 8 keine Fehlzündung stattfand und daß eine intermittierende Fehlzündung in diesem Zylinder im 2. Zyklus stattfindet. Wenn die Fehlzündung in Zylinder Nr. 8 anhält, werden die Unterschiede zwischen den beiden Linien in diesem Zylinder klein und die intermittierende Fehlzün dung ändert sich in eine kontinuierliche Fehlzündung, wie es in Fig. 15 gezeigt wird.

Das verbesserte Verfahren und System liefert eine Fehlzün dungsaufspürung entweder für kontinuierliche oder intermit tierende Fehlzündungen, wenn der Motorbetrieb gleichmäßig, beschleunigend oder verzögernd ist.

Die Erfindung wurde in anschaulicher Art und Weise beschrie ben und ist so zu verstehen, daß die verwendete Terminologie eher beschreibend als einschränkend sein soll.

Offensichtlich sind verschiedenste Modifikationen und Varia tionen der vorliegenden Erfindung im Licht der oben be schriebenen Lehre möglich. Es soll deshalb innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche verstanden werden, daß die Erfindung auch anders als dies hier speziell beschrieben ist praktiziert werden kann.

Claims

1. Verfahren zum Aufspüren von Fehlzündungen einer Kolbenbrennkraftmaschine mit einer Vielzahl von wechselseitig wirkenden Komponenten, wenigstens einem Zylinder und einer Kurbelwelle, wobei das Verfahren folgende Schritte umfaßt:
Das Messen der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle, um die Darstellung eines elek trischen Signals von dieser zu erhalten,
das Filtern des elektrischen Signals, um die Einflüsse von Zufallsfehlern und Störungen des elektrischen Signals zu minimieren und um ein gefiltertes Winkelgeschwindigkeits signal zu erhalten,
das Berechnen eines M-dimensionalen Drehmo mentungleichförmigkeitsvektors, welcher von dem gefilterten Winkelgeschwindigkeitssignal abgeleitet ist,
das Berechnen wenigstens eines Referenzwer tes des Drehmoments, basierend auf dem Dreh momentungleichförmigkeitsvektor,
das Schätzen des indizierten Drehmoments, welches von dem wenigstens einen Zylinder während eines gegebenen Motorzyklus erzeugt wird, basierend auf der Kurbelwellenwinkel geschwindigkeit, und
das Vergleichen des wenigstens einen Refe renzwertes mit dem indizierten Drehmoment, um ein Fehlzündungssignal zu erhalten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß der Schritt des Schät zens das Anwenden einer diskreten Fourier Transfor mation auf eine elektrische Signaldarstellung der Winkelgeschwindigkeit umfaßt, um eine erste Ober schwingung des indizierten Drehmoments zu erhalten, die die Verbrennung in dem wenigstens einen Zylinder bei einer Zylinderzündfrequenz darstellt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß das Errechnen des we nigstens einen Referenzwertes die Berechnung eines gewichteten Mittels des Drehmoments des wenigstens einen Zylinders umfaßt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Berechnen des wenigstens einen Referenzwertes die Berechnung eines arithmetischen Mittels des Drehmoments des wenig stens einen Zylinders umfaßt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine eine Vielzahl von Zylindern umfaßt und die Berech nung des wenigstens einen Referenzwertes die Berech nung eines gewichteten Mittels des Drehmoments für eine Vielzahl von Zylindern umfaßt.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftma schine eine Vielzahl von Zylindern umfaßt und der Schritt des Berechnens des wenigstens einen Refe renzwertes das Berechnen des arithmetischen Mittels des Drehmoments für eine Vielzahl von Zylindern umfaßt.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß das Berechnen des M- dimensionalen Drehmomentungleichförmigkeitsvektors das Schätzen des durch den wenigstens einen Zylinder erzeugten indizierten Drehmoments umfaßt, wobei die Schätzung auf der Kurbelwellenwinkelgeschwindigkeit basiert, bei welcher die Motordynamik einschließlich wechselseitig wirkender Trägheitskräfte berücksich tigt worden sind, um ein Signal des indizierten Drehmoments zu erhalten.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß es weiterhin folgende Schritte umfaßt:
Das Abtasten der Wellenform des gefilterten Winkelgeschwindigkeitssignals synchron mit der Kurbelwellenwinkelposition bei einer Abtastrate, um abgetastete Daten zu erhalten und
das Fenstern (windowing) der abgetasteten Daten, um gefensterte (windowed) Daten zu erhalten, in welchen der Drehmomentungleich förmigkeitsvektor von den gefensterten Daten (windowed Data) abgeleitet ist und der Be rechnungsschritt das transformieren der ge fensterten (windowed) Daten auf ein Fre quenzbereichsäquivalent umfaßt.

9. System zum Aufspüren von Fehlzündungen einer Kolben brennkraftmaschine mit einer Vielzahl von wechsel seitig wirkenden Komponenten, wenigstens einem Zy linder und einer Kurbelwelle, wobei das System fol gendes umfaßt:
Mittel zum Messen der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle um eine elektrische Signal darstellung von dieser zu erhalten,
Mittel zum Filtern des elektrischen Signals, um die Einflüsse von Zufallsfehlern und Stö rungen des elektrischen Signales zu minimie ren und um ein gefiltertes Winkelgeschwin digkeitssignal zu erhalten,
Mittel zur Berechnung eines M-dimensionalen Drehmomentungleichförmigkeitsvektors, der aus dem gefilterten Winkelgeschwindigkeits signal abgeleitet wird,
Mittel zur Berechnung wenigstens eines Refe renzwertes des Drehmoments, basierend auf dem Drehmomentungleichförmigkeitsvektor,
Mittel zur Schätzung des indizierten Drehmo ments, welches von dem wenigstens einen Zy linder während eines gegebenen Motorzyklus erzeugt wird, basierend auf der Kurbelwel lenwinkelgeschwindigkeit, und
Mittel zum Vergleichen des wenigstens einen Referenzwertes mit dem indizierten Drehmo ment, um ein Fehlzündungssignal zu erhalten.

10. System nach Anspruch 9, dadurch ge kennzeichnet, daß die Mittel zur Schät zung Mittel zur Anwendung einer diskreten Fourier Transformation auf eine elektrische Signaldarstel lung der Winkelgeschwindigkeit umfassen.

11. System nach Anspruch 9, dadurch ge kennzeichnet, daß die Mittel zur Berech nung des wenigstens einen Referenzwertes Mittel zur Berechnung eines gewichteten Mittels des Drehmoments des wenigstens einen Zylinders umfassen.

12. System nach Anspruch 9 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Berechnung des wenigstens einen Referenzwertes Mit tel zur Berechnung eines arithmetischen Mittels des Drehmoments des wenigstens einen Zylinders umfassen.

13. System nach Anspruch 9, dadurch ge kennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine eine Vielzahl von Zylindern aufweist und die Mittel zur Berechnung des wenigstens einen Referenzwertes Mittel zur Berechnung eines gewichteten Mittels des Drehmoments für eine Vielzahl von Zylindern umfaßt.

14. System nach Anspruch 9 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftma schine eine Vielzahl von Zylindern aufweist und die Mittel zur Berechnung des wenigstens einen Referenz wertes Mittel zur Berechnung des arithmetischen Mit tels des Drehmoments für eine Vielzahl von Zylindern umfaßt.

15. System nach Anspruch 9, dadurch ge kennzeichnet, daß die Mittel zur Berech nung des M-dimensionalen Drehmomentungleichförmig keitsvektors Mittel zur Schätzung des von dem wenig stens einen Zylinder erzeugten indizierten Drehmo ments umfassen, wobei die Schätzung auf der Kurbel wellenwinkelgeschwindigkeit unter Berücksichtigung der Motordynamik einschließlich der wechselseitig wirkenden Trägheitskräfte basiert, um ein Signal des indizierten Drehmoments zu erhalten.

16. System nach Anspruch 9, dadurch ge kennzeichnet, daß es weiterhin folgende Mittel umfaßt:
Mittel zur Abtastung der Wellenform des ge filterten Winkelgeschwindigkeitssignals syn chron mit der Winkelposition der Kurbelwelle bei einer Abtastrate, um abgetastete Daten zu erhalten, und
Mittel zum Fenstern (windowing) der abgeta steten Daten, um gefensterte (windowed) Da ten zu erhalten, wobei der Drehmomentun gleichförmigkeitsvektor von den gefensterten (windowed) Daten abgeleitet wird und die Mittel zur Berechnung Mittel zur Übertragung der gefensterten (windowed) Daten auf ein Frequenzbereichsäquivalent umfassen.