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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf das Gebiet
der Motor-Steuerung und im Besonderen auf eine Signalverarbeitungsvorrichtung
und ein Verfahren für
ein Kolbenmotor-Fehlzündungsdetektionssystem.
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Hintergrund
der Erfindung
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Viele
der heutigen Motorsteuerungen haben ein integrales Fehlzündungsdetektionssystem.
Mit ständig
steigenden strengeren Emissionsstandards wird die Zusicherung einer
genauen und vollständigen
Detektion von Fehlzündungen
unter allen Motor- und Fahrzeugsbetriebsbedingungen obligatorisch.
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Üblicherweise
verlassen sich Systemkonstrukteure auf Messungen der Kurbelwellenmotor-Winkelgeschwindigkeit
und manchmal der Kurbelwellenbeschleunigung, oder anderer For men
der Motorbeschleunigung, wobei beides sehr stark vom Motordrehmoment
abhängt,
das während
eines Verbrennungsprozesses erzeugt wird, um Fehlzündungen
eines besonderen Motorzylinders zu ermitteln. Typischerweise werden
Fehlzündungen
durch verschiedene Signaturanalyse- und/oder Spektralanalyseverfahren
vorhergesagt, Verfahren, die die zur Verfügung gestellten Geschwindigkeits-
oder Beschleunigungsinformationen analysieren.
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In
einem typischen Fehlzündungsdetektionssystem
nach dem Stand der Technik ist die Hauptmikroprozessorsteuerung
des Systems oft damit betraut, das Fehlzündungsereignis zu analysieren.
Mit dem Erfordernis einer Fehlzündungsdetektion über alle
Betriebsbedingungen trägt
die Hauptmikroprozessorsteuerung eine größere Last bei der Erfüllung dieser
Aufgabe. Dies wird bei hohen Motordrehzahlen besonders schwierig, da
die Hauptmikroprozessorsteuerung viel von ihren Ressourcen für die Fehlzündungsdetektionsstrategie
einsetzen muss. Dies erfordert eine signifikante Zunahme in der
Komplexität
der Hauptmikroprozessorsteuerung.
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Die
DE-C-42 08 033 offenbart ein System, das eine Fehlzündungsbedingung
detektiert, die auf Mittelwerte von Signalen in mehrfach abgetasteten
Fenstern basiert. Die DE-C-42
08 033 offenbart das Verwenden eines Erkennungsparameters, der auf
Unterschiede zwischen den Mittelwerten, zwischen abgetasteten Fenstern
und zwischen Mehrfachmotorzyklen basiert.
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Die
US-A-5095 742 offenbart ein/eine Verfahren/Vorrichtung zum Bestimmen
von Fehlzündungen
in einem Kolbenmotor; das/die Verfahren/Vorrichtung arbeitet auf
der Grundlage wählbarer
Mengen diskreter Abtastbeschleunigungssignale des Motors. Eine Dezimierungsvorrichtung
wählt in einem
gezeigten Messfenster entweder 5 oder 11 der Beschleunigungssignale
aus. Es wird ein spezifisches Beschleunigungssignal A1 ausgewählt, und
die Fehlzündung
aus A1 wird bestimmt.
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Es
wird ein verbesserter Signalverarbeitungsansatz für die Fehlzündungsdetektion
benötigt,
im Besonderen einer, der besonders bei hohen Motordrehzahlen weniger
ressourcenintensiv ist.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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In
einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung
zum Bestimmen von Fehlzündungen
in einem Kolbenmotor zur Verfügung,
wie in Anspruch 1 beansprucht.
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In
einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren
zum Bestimmen von Fehlzündungen
in einem Kolbenmotor zur Verfügung,
wie in Anspruch 11 beansprucht.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist ein Diagramm, das
eine Wellenform zeigt, die ein gefiltertes Beschleunigungssignal
darstellt, das das aus einem Kolbenmotor mit einem sich wiederholenden
Fehlzündungsereignis
abgeleitete Motordrehmoment darstellt;
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2 ist ein Systemblockdiagramm
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform;
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3 ist ein Flussdiagramm,
das verschiedene Verfahrensschritte zeigt, die auf dem in 2 gezeigten System ausgeführt werden
können;
und
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4 ist ein schematisches
Diagramm, das den physikalischen Zusammenhang des Fenstertechnikkonzeptes
mit einem Zahnrad, welches durch den Kolbenmotor angetrieben wird,
in der bevorzugten Ausführungsform
darstellt.
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Beschreibung einer bevorzugten
Ausführungsform
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Eine
Vorrichtung und ein zugehöriges
Verfahren zum Bestimmen von Fehlzündungen in einem Kolbenmotor
arbeiten auf der Grundlage einer wählbaren Menge diskreter abgetasteter
Beschleunigungssignale, die das Beschleunigungsverhalten des Kolbenmotors
anzeigen. Eine Dezimierungsvorrichtung wählt in Abhängigkeit einer Motorfamilie
eine Menge der diskreten abgetasteten Beschleunigungssignale und
optional Motorbetriebsbedingungen, wie z. B. Geschwindigkeit und
Last, aus. Ein Beschleunigungssignal wird aus den abgetasteten Beschleunigungssignalen
ausgewählt,
vorzugsweise der Abtastwert mit der am weitesten im Negativen liegenden
Größe. Eine
Fehlzündungsbestimmungsvorrichtung
stellt in Abhängigkeit
von dem ausgewählten
Beschleunigungssignal eine Fehlzündungsanzeige
zur Verfügung.
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Wie
in dem Hintergrundabschnitt erwähnt,
ist die Hauptmikroprozessorsteuerung des Systems in einem typischen
Fehlzündungsdetektionssystem
oft mit dem Analysieren des Fehlzündungsereignisses betraut. Weil
daraus der Bedarf zum Detektieren von Fehlzündungen über alle Betriebsbedingungen,
insbesondere solche bei hoher Motordrehzahl, entsteht, wird der
Hauptmikroprozessorsteuerung eine größere Belastung in der Erledigung
dieser Aufgabe auferlegt. Um die Belastung der Hauptmikroprozessorsteuerung
zu minimieren, ohne dabei eine größere Komplexität zu beanspruchen,
wird ein dedizierter Hochbandbreiten-Front-End-Mechanismus angewendet.
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Im
Wesentlichen umfasst das Hochbandbreiten-Front-End dedizierte Filter-
und Dezimierungsmechanismen, um die Ressourcenlast auf der Hauptmikroprozessorsteuerung
zu verringern. Im Besonderen verringert der Dezimierungsmechanismus
die effektive Signalbandbreite, so dass die Fehlzündungsbestimmungsstrategie
bei einer wesentlich langsameren Rate arbeiten kann, wodurch der
Ressourcenbedarf auf der Hauptmikroprozessorsteuerung minimiert
wird.
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1 ist ein Diagramm, das
eine Wellenform 101 zeigt, die ein gefiltertes Beschleunigungssignal
darstellt, das das von einem Kolbenmotor abgeleitete Motordrehmoment
darstellt. Bei dem Bezugszeichen 103 wird ein erzwungenes
Fehlzündungsereignis
gezeigt. Weitere Einzelheiten von 1 werden
nach der Einleitung von 2 beschrieben
werden.
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2 ist ein Systemblockdiagramm
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform.
Ein Kolbenmotor 201 ist mit einer Vorrichtung 203 gekoppelt.
Hier ist die Vorrichtung 203 geeignet, eine gemischte analoge/digitale
anwendungsspezifische integrierte Schaltung oder ASIC zu verwenden.
Die ASIC-Vorrichtung 203 hat eine Architektur, die bestimmte
der später
beschriebenen Verfahrensschritte nacheifert. Eine Motorpositionierungsakquisitionsvorrichtung 209 umfasst
einen Schaltkreis, um eine absolute Position des Kolbenmotors 201 zu
bestimmen. Diese absolute Motorposition wird später verwendet, um verschiedene
Funktionen in der ASIC-Vorrichtung 203 zu
synchronisieren. Es gibt viele gut bekannte Verfahren zum Bestimmen
einer absoluten Position eines Motors. Hier ist ein variabler Widerstands-Sensor
mit einem Zahnrad gekoppelt, das durch eine Kurbelwelle des Kolbenmotors 201 getrieben
wird. Es gibt 18 Zähne
auf dem Zahnrad, die nach jeder 20°-Drehung des Motors einen Impuls
verursachen, der aus dem variablen Widerstands-Sensor ausgegeben wird.
Somit machen in einem Viertaktkolbenmotor 720° der Kurbelwellenumdrehung einen
vollständigen
Motorzyklus aus.
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Ein
anderer variabler Widerstands-Sensor tastet einen einzelnen Zahn,
entsprechend dem oberen Totpunkt des Zylinders #1 des Kolbenmotors 201,
auf einem anderen Zahnrad ab, welches mit der Nockenwelle des Kolbenmotors 201 gekoppelt
ist. Nach dem Erhalt der Ausgaben aus den zwei Widerstands-Sensoren
gibt das Motorpositionierungsakquisitionssystem 209 die
Information über
die absolute Motorposition 210 aus. Diese Art von Vorrichtung
ist dem Fachmann auf dem Gebiet gut bekannt.
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Ein
weiteres Element 211 erfasst Beschleunigungsinformationen
aus dem Kolbenmotor 201. Dieses Element 211 ist
um einen Geschwindigkeitssensor angeordnet, wie z. B. dem oben genannten
variablen Widerstands-Sensor, der mit einem Zahnrad gekoppelt ist,
das durch den Kolbenmotor 201 getrieben wird. Dem Fachmann
auf dem Gebiet werden viele Ansätze
zum Erfassen der Beschleunigungsinformationen eines Motors in den
Sinn kommen. Das Beschleunigungsakquisitionselement 211 gibt
ein Beschleunigungssignal 213 an ein Tiefpassfilter 215 aus.
In der bevorzugten Ausführungsform
ist das Tiefpassfilter 215 ein geschaltetes kondensatorartiges
Tiefpassfilter. Dieses Tiefpassfilter 215 ist in einem
beschleunigungsbasierten Fehlzündungsdetektionssystem
nötig,
um die Wiedergabe des Beschleunigungssignals 213 durch
Eliminieren von Hochfrequenzrauschen auf dem Beschleunigungssignal 213 zu
verbessern. Das Tiefpassfilter 215 stellt ein gefiltertes
Beschleunigungssignal 217 zur Verfügung, das von dem Beschleunigungssignal 213 abhängt. Das gefilterte
Beschleunigungssignal 217 ist ein diskretes abgetastetes
Beschleunigungssignal. Eine Wellenform, die dieses gefilterte Beschleunigungssignal 217 darstellt,
wurde zuvor in 1 gezeigt.
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Es
wird auf 1 zurückverwiesen;
die Beschleunigungswellenform 101 wird durch das Beschleunigungsakquisitionselement 211 bei
einer Rate von 18 Abtastwerten/Umdrehung der Kurbelwellenrotation
abgetastet. Die vertikalen Bezugslinien in 1, dargestellt durch das Bezugszeichen 104,
stellen die 18 Zyklen/Umdrehungs-Abtastereignisse dar. Später, in 2, wird ein Fehlzündungsdetektionsmechanismus
die erfassten (abgetasteten) Daten verwenden, um Fehlzündungen
basierend auf einer Schwellenwerttechnik zu bestimmen. Weil der
Fehlzündungsdetektionsmechanismus
auf einer Mikroprozessorsteuerung basiert, gibt es einen Bedarf,
die hohe Datenratenabtastung von 18 Abtastwerten/Umdrehung auf einen
Abtastwert/Motorzylinderzündung
zu verringern, um die Zeit, und somit die Rechenbelastung, zu minimieren,
die durch die Mikroprozessorsteuerung für die Detektion der Motorfehlzündungen
benötigt
wird. Die Verringerung der hohen Datenratenabtastung von 18 Abtastwerten/Umdrehung
auf einen Abtastwert/Motorzylinderzündung ist durchführbar, weil
ein Fehlzündungsereignis,
in 1 mit dem Bezugszeichen 103 dargestellt,
physikalisch nur in einem schmalen Abtastfenster in der Motorwinkelrotation
in dem Zylinderzündungsereignis
auftreten kann. Ein Beispiel für
diese Beziehung ist in 1 gezeigt.
Das Bezugszeichen 105 zeigt ein Abtastfenster, das 6 Abtastereignisse
oder Beschleunigungsmessungen umfasst. Diese 6 Abtastereig nisse
stellen eine Winkelposition dar, die mit einer Position eines besonderen
Verbrennungszyklus des Zylinders verknüpft ist. Dieses Abtastfenster
der Winkelposition stellt den Anteil des Verbrennungszyklus des
Zylinders dar, der andere Zündungsereignisse
des Zylinders nicht überlappt,
so dass das Verhalten des erfassten Beschleunigungssignals auf den
interessierenden Zylinder isoliert wird. Ein weiteres Abtastfenster 107 ist
in einer Teilmenge der 6 Abtastwerte aus dem Abtastfenster 105 eingegrenzt
und grenzt diese ab. Dieses Abtastfenster 107 stellt eine
erste Verringerung der 18 Abtastwerte/Umdrehung auf einen Abtastwert/Motorzylinderzündung dar.
Der Zweck des Reduzierens des Abtastfensters ist der, mit höherer Verlässlichkeit
eher das fehlzündungsabhängige Beschleunigungssignal 213 als
ein rauschbezogenes Signal einzufangen. Um dies zu erreichen, ist
das Fenster 107 sowohl in der Breite als auch im Offset,
wie durch das Bezugszeichen 111 gezeigt, hinsichtlich der
Motorwinkelposition skalierbar.
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Es
wird auf 2 zurückverwiesen;
ein Dezimierer 219 stellt die Reduktion der Datenratenfunktion
in zwei Teilen zur Verfügung.
Der erste Teil dient dazu, die Breite und den Offset des Abtastfenster 107 der
Motorwinkelposition herbeizuführen
und zweitens durch Auswählen
eines Beschleunigungswertes 221 mit einer am weitesten
im Negativen liegenden Größe, der
in dem Abtastfenster 107 des Zylinders eingegrenzt ist.
Der Dezimierer 219 tut dies durch Berücksichtigen der Informationen über die
absolute Motorposition 210, die durch das Motorpositionierungsakquisitionssystem 209 zur
Verfügung
gestellt wird, des gefilterten Beschleunigungssignals 217,
das durch das Tiefpassfilter 215 zur Verfügung gestellt
wird, und eines Breite/Offset-Befehls 222. Der Dezimierer 219 berücksichtigt
die Beschleunigungsdaten in einem Abtastfenster, wo erwartet wird,
das sich Fehlzündungen
ereignen. Dieser Fensteransatz ist zum Verbessern der Wiedergabe
der Fehlzündungsdetektion
nützlich,
weil Rauschen, das außerhalb
der vorbestimmten Abtastperiode existiert, den Dezimierungsprozess
nicht herbeiführt.
Außerdem
ist das Fensterverfahren der Dezimierungsvorrichtung so beschaffen,
dass es, hinsichtlich der Abtastfenstergröße und des Abtastfenster-Offsets,
relative zu einem besonderen Zündungsanteil
des Verbrennungszyklus eines Zylinders, wählbar oder programmierbar ist.
Dies ist ein wichtiges Merkmal, weil verschiedene Motorfamilien
und verschiedene Motordynamiken veranlassen können, dass das Rauschen in
die Nähe
der wahren Fehlzündungsdaten
verschoben wird.
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Ein
Fehlzündungsdetektionssystem 205,
das auf der in dem Fehlzündungsdetektionssystem
eingebetteten Mikroprozessorsteuerung basiert, erzeugt den Breite/Offset-Befehl 222 abhängig von
einer für
jede Motorfamilie abgeleiteten Eichung. Wenn der am weitesten im
Negativen liegende verarbeitete Beschleunigungswert 221,
der in jedem Abtastfenster 107 des Zylinders eingegrenzt
ist, einmal dem Fehlzündungsdetektionssystem 205 präsentiert
wird, wird ein Schwellenwertansatz verwendet, um ein Fehlzündungsanzeigesignal 207 zur
Verfügung
zu stellen. Der Breite/Offset-Befehl wählt die Breite des Abtastfensters – oder die
Zahl der durch den Dezimierer 219 und das Offset bearbeiteten
Abtastwerte – oder
den Startpunkt des Abtastfensters gemäß dem erwarteten Auftreten
einer Fehlzündung
in dem besonderen analysierten Zylinder aus. Dieser Breite/Offset-Befehl
kann auch von den Motorbetriebsbedingungen abhängen. Dies kann vorteilhaft sein, wenn
mit Magerverbrennungstechnologien ("lean burn technologies") verwendet. Eine
Motordrehzahl- und -lastbestimmungsvorrichtung 223 stellt
eine Messung der Motordrehzahl und -last 225 zur Verfügung. Optional können andere
Motorbetriebsparameter gemessen und verwendet werden, um den Breite/Offset-Befehl
zu ändern.
Das Verwenden entweder der Motordrehzahlmessungen und/oder der -lastmessungen,
oder das Verwenden beider, befähigt
die Abtastfensterbreite (oder die Zahl der bearbeiteten Abtastwerte
aus dem interessierenden Zylinder) verändert zu werden, und auch das
Offset (oder die Position des erwarteten Fehlzündungsereignisses) verändert zu
werden. Als nächstes
werden Einzelheiten des Verfahrens dargelegt, die den eigentlichen
Betrieb des Dezimierers 219 beschreiben.
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Die
Verfahrensschritte 300 werden kontinuierlich ausgeführt. Bei
einem ersten Schritt 303 liest der Dezimierer 219 eine
Abtastzahl, die die absolute Motorwinkelposition, die Fenstergröße und das
Fenster-Offset, das durch die dem Fehlzündungsdetektionssystem eigene
Mikroprozessorsteuerung zur Verfügung
gestellt wird, darstellt. Außerdem
wird eine Spitzenbeschleunigungsvariable, die später beschrieben werden wird,
gelöscht.
In der Praxis wird jedem Zylinderereignis ein Abtastfenster bestehend
aus x Abtastwerten zugewiesen. Die Gesamtzahl an Fenstern und die
maximale Breite jedes Abtastfensters werden durch die Zahl der Zylinder und
durch die Abtastrate bestimmt. Als nächstes wird ein Beispiel für verschiedene
Viertaktmotorkonfigurationen für
eine Abtastrate on 18 Abtastwerten/Umdrehung gezeigt.
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Es
ist zu beachten, dass für
Achtzylindermotoren die maximalen Fensterbreiten alternierend 4
und 5 Abtastwerte breit sind, weil 18 Abtastwerte/Umdrehung nicht
gerade durch 4 teilbar ist.
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In
dem Schritt 305 werden die Breite und das Offset des Abtastfensters 107 in
Abhängigkeit
von der auf einer Eichung basierenden Motorarbeitsbedingung eingestellt.
Die berücksichtigte
Motorarbeitsbedingung ist vorzugsweise die Motordrehzahl. Wie oben
angemerkt, sind die Breite und das Offset der Abtastfensterbreite
variabel, so dass sie eingestellt werden können, um das minimale verarbeitete
Beschleunigungssignal, infolge der Fehlzündung, verlässlich einzufangen. Weiterhin ändert sich
das Offset in Magerverbrennungsmaschinen mit den Motorbetriebsbedingungen
aufgrund von Veränderungen
in der Brennphase. Zusätzlich
kann die Breite des Abtastfensters aufgrund von Veränderungen
im Rauschen mit den Motorbetriebsbedingungen geändert werden müssen. Bei
hohen Motordrehzahlen kann z. B. Rauschen in das Abtastfenster 107 eintreten, wodurch
der Bedarf entsteht, das Abtastfenster zu verschmälern.
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Als
nächstes
wird in dem nächsten
Schritt 307 der nächste
Beschleunigungsabtastwert durch die Beschleunigungsakquisitionsvorrichtung 211 erfasst
und über
das Tiefpassfilter 215 dem Dezimierer 219 als das
gefilterte Beschleunigungssignal 217 zur Verfügung gestellt.
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Dann
wird in dem Schritt 309 die aktuelle Beschleunigung mit
der zuvor gespeicherten "Spitzenbeschleunigung" (am weitesten im
Negativen liegende Beschleunigung) verglichen. Es ist zu beachten,
dass in der ersten Iteration des Verfahrensschrittes 300 die "Spitzenbeschleunigung" gelöscht wurde
und dadurch Null ist. Der Zweck dieses Schrittes ist es, den am
weitesten im Negativen liegenden Beschleunigungswert in dem aktuellen
Fenster zu finden. Wenn die Größe der aktuellen
Beschleunigung des Abtastwertes niedriger ist als die Spitzenbeschleunigungsvariable,
dann wird der Schritt 311 ausgeführt. Wenn die aktuelle Beschleunigung des
Abtastwertes höher
ist als die Spitzenbeschleunigungsvariable, dann wird der Schritt 313 ausgeführt.
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In
dem Schritt 311 wird die Spitzenbeschleunigungsvariable
gehalten (gespeichert).
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In
dem Schritt 313 bestimmt der Dezimierer 219, ob
alle Abtastwerte in dem Abtastfenster berücksichtigt worden sind oder
nicht. Wenn dies der Fall gewesen ist, dann wird der Schritt 317 ausgeführt. Wenn
nicht alle Abtastwerte in dem Abtastfenster berücksichtigt worden sind, dann
inkrementiert der Schritt 315 die Abtastwertzahl und das
Verfahren fährt
bei dem Schritt 305 fort, bis alle Beschleunigungen für das interessierende
Abtastfenster berücksichtigt
worden sind.
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Da
alle Beschleunigungsdaten aus dem letzten Abtastfenster berücksichtigt
worden sind, wird in dem Schritt 317 das nächste Abtastfenster
ausgewählt
und die Abtastzahl wird gelöscht.
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In
dem Schritt 319 wird schließlich die Spitzenbeschleunigungsvariable
an die dem Fehlzündungsdetektionssystem 205 eigenen
Mikroprozessorsteuerung gesendet. Außerdem wird die Spitzenbeschleunigungsvariable
in Vorbereitung für
die Auswertung der Beschleunigung für den nächsten Zylinder gelöscht.
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4 ist ein schematisches
Diagramm, das den physikalischen Zusammenhang des Fenstertechnikkonzeptes
mit einem durch den Kolbenmotor in der bevorzugten Ausführungsform
getriebenen Zahnrad darstellt. 4 umfasst
ein Zahnrad 401, das durch den Kolbenmotor 201 getrieben
wird. Ein variabler Widerstands-Senssor 403 stellt ein
Beschleunigungssignal 405 zur Verfügung, das das Beschleunigungsverhalten des
Kolbenmotors 201 anzeigt. Hier ist zu beachten, dass das
gezeigte Signal ein verarbeitetes Signal und nicht das durch den
variablen Widerstands-Senssor 403 tatsächlich erzeugte Signal ist.
Das oben genannte Abtastfenster wird hier durch das Referenzzeichen 411 dargestellt,
das sich zwischen zwei Winkelpositionen eines Rotationselements
erstreckt, hier eines Zahnrades 401 des Kolbenmotors 201.
In diesem Falle wird eine gleiche Menge der wählbaren Menge des kontinuierlichen
Stroms der diskreten abgetasteten Beschleunigungssignale in dem
Abtastfenster 411 eingegrenzt, welches an den Winkelpositionen 413, 415,
die die bestimmte Position eines Zylinders umfassen, der durch eine
Linie 407 angezeigt wird, die in der Nähe des potentiellen Winkels
einer Fehlzündung
zentriert ist. Es ist zu beach ten, dass die Breite des Abtastfensters 411 in
Abhängigkeit
von den Motorbetriebsbedingungen geändert werden kann, so dass
die Geschwindigkeit und die Last Rauschen kompensieren können, das
in die Beschleunigungsdaten eingeführt wurde. Weiterhin kann das
Offset des Abtastfensters 411 zu dem selben Zweck, wie
durch die Referenzzeichen 409 und 417 gezeigt, geändert werden.
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Zusammenfassung:
Eine Vorrichtung und ein Verfahren für die variable gefensterte
Höchstwertdetektion
in einem Fehlzündungsdetektionssystem
sind ausführlich
beschrieben worden. Dieser Ansatz ist vorteilhaft, weil er, besonders
bei hohen Motordrehzahlen, weniger ressourcenintensiv ist und, im
Gegensatz zu dem Stand der Technik, ein zusätzliches Rauschunterdrückungsvermögen hat.
