JP4023854B2 - 燃焼ミスファイヤの検出方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、たとえば自動車の駆動に使用される内燃機関における燃焼ミスファイヤ（不点火）の検出方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃焼ミスファイヤは内燃機関の運転中に放出される有害物質を増大させ、さらに排気管内の触媒を損傷させることがある。排気関係機能のオンボードモニタリングに関する法令上の要求を満たすために、全回転速度範囲および全負荷範囲にわたりミスファイヤを検出することが必要である。これに関して、燃焼ミスファイヤがある運転においては、ミスファイヤのない正常運転に対して内燃機関の回転速度曲線に特徴的な変化が現れることがわかっている。この回転速度曲線を比較することにより、ミスファイヤのない正常運転とミスファイヤがある運転とを区別することが可能である。
【０００３】
燃焼ミスファイヤの検出システムは、センサ装置、信号処理および特徴抽出ならびに分類という機能ブロックで構成されている。センサ装置は、たとえばセグメント時間、すなわちクランク軸が所定の回転角度範囲を通過する時間を測定する。特徴抽出ブロックにおいて、セグメントから特徴信号が形成され、この特徴信号から、たとえばしきい値との比較により、または神経回路の使用により、あるいは既知の他の方法により燃焼ミスファイヤが検出される。
【０００４】
しきい値との比較に基づいて作動するシステムが、ドイツ特許公開第４１３８７６５号から既知である。
【０００５】
この既知の方法によれば、典型的には、各シリンダのピストン運動の特定範囲に、セグメントとして記入されたクランク軸の角度範囲が付属されている。セグメントはたとえば、クランク軸と結合されている伝送車上のマーキングにより形成される。クランク軸がこの角度範囲を通過するセグメント時間はとくに、燃焼サイクルにおいて変換されるエネルギーの関数である。ミスファイヤは、点火に同期して測定されるセグメント時間を上昇させる。既知の方法によれば、相前後するセグメント時間の差からエンジンの回転不規則性の尺度が計算され、ここでさらにゆっくり現れる動的過程、たとえば走行加速時におけるエンジン回転速度の上昇が計算により修正される。このように点火ごとに計算された回転不規則値が、同様に点火に同期して所定のしきい値と比較される。場合により負荷および回転速度のような運転パラメータの関数でもあるこのしきい値を超えたとき、それがミスファイヤとして評価される。
【０００６】
それに応じて、既知の方法の信頼度はセグメント時間の測定に依存し、したがって製作時に伝送車上にマーキングが形成される精度に依存する。この機械的不正確は計算により排除することができる。これに関しては、ドイツ特許公開第４１３３６７９号から、惰行運転においてたとえば異なる３つの伝送車セグメントのセグメント時間を測定することが既知である。３つのセグメントのうちの１つが基準セグメントとみなされる。残りの２つのセグメントのセグメント時間の、基準セグメントのセグメント時間に対する偏差が求められる。この偏差から修正値が形成されるが、修正値と結合された、惰行運転において求められたセグメント時間が相互に等しくなるように形成される。
【０００７】
したがって、この方法はまず、車両の運転時において、制御装置のプログラミングに対するある程度の費用および計算費用を必要とする。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
伝送車の機械的不正確の影響を受けない、燃焼ミスファイヤの簡単な検出方法を提供することが本発明の課題である。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
回転不規則値の形成の前に、セグメント時間のフィルタリングにより伝送車の機械的不正確の影響を排除することが本発明の本質的要素である。機械的影響はクランク軸の各回転ごとに反復されるので、クランク軸の周波数で発生するセグメント時間信号内の信号部分およびその調波は、回転不規則値の形成の前にフィルタリングされる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、マーキング３を有する角度伝送車２および角度センサ４からなるセンサ装置と、特徴抽出ブロック５と、分類ブロック６と、内燃機関のミスファイヤの発生の表示手段７とを備えた内燃機関１を示す。内燃機関のクランク軸と結合されている角度伝送車２の回転運動は、誘導センサとして形成されている角度センサ４により電気信号に変換され、電気信号の周期性は、マーキング３が角度センサ４を周期的に通過する状況を示している。したがって、信号レベルの立上りと立下りとの間の時間間隔は、クランク軸がマーキングの目盛に対応する角度範囲だけ回転された時間に対応している。
【００１１】
セグメント時間は次のステップでさらに処理される。
【００１２】
この処理のために使用されるコンピュータはたとえば図２に示すように構成してもよい。これによると、計算ユニット２．１は入力ブロック２．２と出力ブロック２．３とを接続しかつメモリ２．４内に記憶されているプログラムおよびデータを利用する。
【００１３】
図３ａは角度伝送車２の４セグメントへの分割を示し、ここで各セグメントは所定数のマーキングを有している。マーキングＯＴｋは、この実施例における４シリンダ内燃機関（ｚ＝４）のｋ番目のシリンダのピストン運動の上死点に割り当てられ、この上死点はこのシリンダの燃焼サイクル内に存在している。この点の周りに回転角度範囲ωｋが定義され、回転角度範囲ωｋはこの実施例においては角度伝送車のマーキングの１／２の範囲に及んでいる。同様に、残りのシリンダの燃焼サイクルに角度範囲ω１ないしω４が割り当てられ、ここでは１つの完全作業サイクルに対しクランク軸が２回転する４サイクル原理から出発している。したがってたとえば、第１のシリンダの範囲ω１は第３のシリンダの範囲ω３に対応している等である。セグメントの位置、長さおよび数は使用事例ごとに変更してもよい。したがって、カム軸１回転当たりｚセグメント以上重なり合うセグメントないしはシリンダの上死点とは異なるセグメント位置もまた可能である。したがって、特徴抽出ステップに対する入力信号としてセグメント時間信号を利用することは、エンジン制御において既に存在する信号からそれが計算可能なので有利である。
【００１４】
セグメント時間の代わりに、入力信号として個々のクランク軸角度範囲に割り当てられた平均回転速度線図を利用してもよい。
【００１５】
たとえば、次の実施態様に対しては、カム軸１回転当たりｚセグメントへの上記の分割が利用される。
【００１６】
特徴抽出ステップの他の入力信号は、エンジン回転速度ｎ、負荷ｔｌ、温度Ｔおよび第１のシリンダを識別するための信号ｂである。
【００１７】
図３ｂに、クランク軸の回転運動により角度範囲が通過される時間ｔｓが目盛られている。この場合まず、１つ置きのセグメント時間を伸長させる伝送車の機械的不正確がわかる。実線はミスファイヤのない運転においてこのとき形成されるセグメント時間経過を示している。図３ｂの左側半分には、そのセグメント時間が既に伝送車の影響によりさらに比較的長くなつているシリンダ内のミスファイヤが点線で示されているのがわかる。これに対し右側半分は、そのセグメント時間が伝送車の影響により比較的短く測定されたシリンダにおいてミスファイヤが発生した例を示している。ミスファイヤに伴うトルク低下はそれぞれ付属の時間間隔ｔｓを上昇させることになる。比較的長いセグメント時間ｄ２およびｄ４は同じであることがわかる。
【００１８】
相前後するセグメント時間の差により回転不規則値が形成される場合、左側部分におけるミスファイヤに対しては比較的大きい差ｄ１が与えられ、この差ｄ１は伝送車の影響による変動幅ｄ５を明らかに上回っている。これに対し、右側の部分に対しては変動幅ｄ５とは場合によりきわめて区別しがたい差ｄ３が与えられる。
【００１９】
差ｄ３に付属するミスファイヤも確実に検出可能にするために、本発明により、クランク軸の周波数で発生する信号部分が回転不規則値の形成の前にフィルタリングされる。
【００２０】
これが図４ａに示され、図４ａは図１の特徴抽出ブロック５を詳細に示している。フイルタ・ブロック４．１には、センサ装置からセグメント信号ｔｓが供給される。フイルタ・ブロック４．１はカム軸の周波数で発生する信号部分のみを通過させ、図４ｂにより示されるように帯域通過特性をも有し、図４ｂはセグメント時間信号における種々の周波数部分を示している。フィルタリングされた信号ｔｓ′は、次に信号変換ブロック４．２において処理されて回転不規則信号ｑに変換され、それに続く分類段において燃焼ミスファイヤが評価される。
【００２１】
帯域通過特性の代替として、フイルタ・ブロック４．１はくし歯形阻止フィルタとして形成してもよい。このようなフィルタの伝達関数Ｈ（０）の値が図４ｃに次数ｋで示されている。この場合、次数ｋ＝１はカム軸の周波数で発生する信号部分を示す。シリンダにおける連続ミスファイヤはたとえばこの周波数で発生する。同様に、ｋ＝２はカム軸の２倍の周波数で発生する信号部分を示し、以下同様である。図４ｃに示す伝達特性を有するくし歯形阻止フィルタはクランク軸周波数およびその調波を阻止し、ミスファイヤに関係する信号部分のみを通過させる。
【００２２】
この過程の実施例が図５の流れ図に示され、この流れ図は、ある意味では上位のエンジン制御プログラム内のプログラムモジュールとして、図２に示すブロック５、６によりカム軸の回転運動に同期して実行される。ステップＳ１において、回転速度に同期して、センサ装置から供給されるセグメント時間ｔｓ（ｎ）が読み込まれ、ここでｎは点火数を示す。次にステップＳ２において、該当するシリンダの、同じ伝送車セグメントに付属する、時間的に相前後するセグメント時間ｔｓの差ｔｓ′が形成される。したがって、ステップＳ２はフィルタブロック４．１の一実施例に対応する。それに続いてステップＳ３において、たとえば
ｑ（ｎ）＝ｔｓ′（ｎ＋１）−ｔｓ′（ｎ）
の計算により回転不規則性特徴信号ｑ（ｎ）の形成が行われる。
【００２３】
回転不規則値はさらに分類段に与えられ、ここでたとえばしきい値ＬＵＲと比較される（ステップＳ４）。場合により内燃機関の運転パラメータの関数でもあるこのようなしきい値を超えたとき、それがミスファイヤとして評価され、これが十分な頻度で発生したとき、ステップＳ５においてエラーランプを作動させる。
【００２４】
図６は伝送車が不正確なときにとられた、前フィルタのない特徴信号をｑ（ｎ）（図６ａ）および前フィルタのある特徴信号ｑ（ｎ）（図６ｂ）の比較を可能にしている。この場合、図６ａにおけるｑ（ｎ）は、たとえば種々のセグメントの相前後するセグメント時間の差
ｑ（ｎ）＝ｔｓ（ｎ）−ｔｓ（ｎ−１）
により形成することができる。
【００２５】
図６ｂにおける本発明による方法により、ミスファイヤが確実に検出可能であることがわかる。
【００２６】
代替態様として、この方法は特徴信号ないし回転不規則値ｑ（ｎ）の側で行うこともまた可能である。
【００２７】
特徴信号ｑ（ｎ）ないしＬｕｔ（ｎ）はたとえば相前後するセグメント時間の差として形成される。この差はさらに、たとえば車両のブレーキ作動時または加速時に発生するような平均回転速度の変化を補償する項目で修正される。図７は回転速度変化の経過時間ｔｓの測定への影響を示す。典型的には自動車の惰行運転において発生するような回転速度低減のケースが示されている。測定される時間ｔｓが比較的均等に延びていくこの影響を補償するために修正項Ｋが形成され、修正項Ｋは図７においてＫで示すセグメント時間の延長効果に反映されている。次に、この値Ｋは、延長効果が補償されるように回転不規則値の計算において考慮される。
【００２８】
これは、セグメント時間延長の勾配の計算を介して、または複数の相前後するセグメント時間から平均値または中央値を形成することにより行ってもよい。
【００２９】
補償は、セグメント時間の差からさらに、幾つか前のセグメント時間の平均値を差し引くことにより行ってもよい。続いてセグメント時間ｔｓ（ｎ）の３乗で割ることにより、回転不規則値が回転速度で正規化される。
【００３０】
図８はこの実施態様の流れ図を示す。
【００３１】
ステップＳ８．１において、回転速度に同期して、センサ装置から供給されるセグメント時間ｔｓ（ｎ）が読み込まれ、ここでｎは点火数を示す。次に、ステップＳ８．２において、上記のように回転不規則値ｑ（ｎ）が形成される。これから、ステップＳ８．３において、差ｄｑが形成される。さらに、機械的に同じ伝送車セグメントに属するそれぞれの回転不規則値、たとえば回転不規則値ｑ（ｎ）およびｑ（ｎ＋ｚ／２）が使用され、ここでｚは内燃機関のシリンダ数に対応する。値ｄｑは、ステップＳ８．４において、しきい値ＬＵＲと比較される。場合により内燃機関の運転パラメータの関数でもあるこのようなしきい値を超えたとき、それがミスファイヤとして評価され、ミスファイヤが十分な頻度で発生したとき、ステップＳ８．５においてエラーランプを作動させる。
【００３２】
言い換えると、機械的な不正確は、特徴信号ｑ（ｎ）において一定のオフセットを与える。すなわち、同じセグメントに付属される特徴信号は、セグメントエラーの絶対値の関数として、同じレベルを有している。
【００３３】
同じセグメントに属するシリンダのＬｕｔ値（特徴信号）の差により、セグメントエラーとは無関係に、ミスファイヤの検出が可能となる。
【００３４】
この実施態様においては、動的補償が本質である。図９は動的補償が行われないときの回転速度変化における回転不規則性を示す。とくに回転速度を低下したときに、エラーの検出が明らかに認められる。
【００３５】
図１０は動的補償を行った場合の比較測定値を示す。この場合は、もはやエラー検出は認められない。
【００３６】
以上に説明してきたような回転不規則値の差の形成は、偶数のシリンダ数すなわち数値２で割り切れる数のシリンダ数ｚを有するエンジンに対して適用される。この場合、クランク軸と位相が同期して回転する伝送車上にｚ／２個のセグメントが形成され、各セグメントにそれぞれ２つのシリンダが付属される。点火順序１−３−４−２を有しかつクランク軸が２回転する間に点火が対称に分配される４シリンダエンジンの場合、このときたとえば第１および第４のシリンダが一方のセグメントに付属されまた第２および第３のシリンダが他方のセグメントに付属される。
【００３７】
４シリンダエンジンのこの実施例において、セグメントは、たとえば０−１８０°のクランク角、および１８０−３６０°のクランク角（１回目のクランク軸回転）、０−１８０°のクランク角および１８０−３６０°のクランク角（２回目のクランク軸回転）の範囲で広がりを有することができる。言い換えると、それぞれ同じ大きさでありかつそれぞれの点火に対し対称に存在するセグメントにおいては、それぞれ２つのセグメントが相互に合同であるか、ないしは同じ機械的マークによりマーキングされる。
【００３８】
シリンダ数ｚが奇数でありかつ点火が７２０°のクランク軸角度範囲にわたり対称的に分配されている場合、個々の点火は７２０／ｚの角度で相互に分離され、すなわちｚ＝３に対しては２４０°で分離されまたｚ＝５に対しては１４４°で分離される等である。付属のセグメントがそれぞれ同じ大きさでありかつその位置がそれぞれの点火に対して異なっているとき、セグメントはもはや合同ではない。たとえば、５シリンダエンジンにおいては、個々のセグメントは、０−１４４°のクランク角、１４４−２８８°のクランク角、２８８°のクランク角（１回目のクランク軸回転）−７２°のクランク角（２回目のクランク軸回転）、７２−２１６°のクランク角および２１６−３６０°のクランク角の範囲で広がりを有することができる。
【００３９】
したがって、それぞれ異なる２つのシリンダが付属されたセグメントは、伝送車上の異なる機械的マーキングにより形成される。
【００４０】
各点火に対して回転不規則値が形成されると仮定した場合、このとき作業サイクル（７２０°のクランク角）の範囲内に、差ｄｑの形成に対して２つの回転不規則値ｑが使用されることはなく、この差ｄｑは確かにシリンダは異なっていても、機械的には同じセグメントに属しているのである。
【００４１】
それにもかかわらず上記の方法を実行可能にするために、シリンダ数が奇数のエンジンにおいては、各点火に対し２つの回転不規則値が求められる。この場合、第１の回転不規則値は今まで説明してきた回転不規則値ｑに対応し、さらにｑ′の記号がつけられる第２の回転不規則値は同様にｑの形成のために形成されるが、これは３６０°のクランク角だけオフセットされたセグメント時間に基づくものである。したがって、このように形成された、ある程度仮想的な回転不規則値ｑ′は、その相対位置において、回転不規則値ｑの点火とは異なっている。同様に、追加の回転不規則値ｑ′の形成のために、シリンダ数が奇数の場合、本発明による方法がセグメント時間の差の形成により実行されるときは、追加のセグメント時間ｔｓ′を測定することが有利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の技術的周辺図である。
【図２】本発明による方法を実行するのに適したコンピュータである。
【図３】回転速度に基づき、回転の不規則性の尺度の基準としてのセグメント時間を形成する既知の原理であり、および伝送車の影響により回転不規則性が誤って検出されうる様子を示す。
【図４】図４ａは特徴抽出ブロック５の詳細図であり、および図４ｂ、４ｃはセグメント時間信号の種々の周波数部分を示し、ここで図４ｂは帯域通過フィルタリングを、および図４ｃはくし歯形阻止フィルタリングを示す線図である。
【図５】本発明によるフィルタリング形成の一実施例の流れ図である。
【図６】本発明により求められた回転不規則値（前フィルタあり、図６ｂ）と、伝送車の公差の影響を含む回転不規則値（前フィルタなし、図６ａ）との比較図である。
【図７】回転速度変化のセグメント時間への影響を示す線図である。
【図８】本発明の他の実施態様の第２の流れ図である。
【図９】図８の実施態様において、動的補償のない場合に求められた信号の線図である。
【図１０】図８の実施態様において、動的補償のある場合に求められた信号の線図である。
【符号の説明】
１ 内燃機関
２ 角度伝送車
３ マーキング
４ 角度センサ
５ 特徴抽出ブロック
６ 分類ブロック
７ 表示手段
２．１ 計算ユニット
２．２ 入力ブロック
２．３ 出力ブロック
２．４ メモリ
４．１ フィルタブロック
４．２ 回転不規則値（特徴信号）ｑの形成ブロック（信号変換ブロック）
ｂ シリンダの識別信号
ｄｑ ｑ（ｎ）の差
ＬＵＲ しきい値
Ｌｕｔ（ｎ）、ｑ（ｎ）、ｑ′ 回転不規則値（特徴信号）
ｎ エンジン回転速度、点火数
ＯＴｋ マーキング（ｋ番目のシリンダの上死点）
Ｔ 温度
ｔｌ 負荷
ｔｓ センサ信号（セグメント時間）
ｔｓ′ ｔｓの差
ｚ シリンダ数

Claims (2)

1. シリンダ数ｚの４サイクル内燃機関がクランク軸に結合された伝送車を有し、前記伝送車がクランク軸と位相が同期して回転する、前記内燃機関の燃焼ミスファイヤの検出方法であって、
   前記伝送車がｚ／２個のセグメントを有すること、
   前記セグメントがセンサ装置により測定され、これによりセンサ装置が、個々のシリンダごとにクランク軸の回転運動の不均一性を表すセグメント時間信号を供給すること、
   個々のシリンダごとに、前記セグメント時間に基づいて、クランク軸の周波数で発生する成分を有する回転不規則値が形成されること、
   同じ伝送車のセグメントに付属されるセグメント時間の差の形成により、回転不規則値内の前記成分がフィルタリングされること、
   その後に、前記フィルタリングされた回転不規則値がしきい値と比較されること、
   前記フィルタリングされた回転不規則値が前記しきい値を超えるときに、ミスファイアが検出されること、
   シリンダ数が偶数の場合、各点火に対してセグメント時間がそれぞれ測定されること、
   シリンダ数が奇数の場合、さらに、機械的に同じセグメントに対する前記セグメント時間が、クランク軸の１回転分だけオフセットされて測定されること、および
   セグメント時間が３６０°のクランク軸角だけそれぞれオフセットされたセグメントに対して測定され、セグメント時間の差の形成が行われること
   を含む燃焼ミスファイヤの検出方法。
2. シリンダ数ｚの４サイクル内燃機関がクランク軸に結合された伝送車を有し、前記伝送車がクランク軸と位相が同期して回転する、前記内燃機関の燃焼ミスファイヤの検出方法であって、
   前記伝送車がｚ／２個のセグメントを有すること、
   前記セグメントがセンサ装置により測定され、これによりセンサ装置が、個々のシリンダごとにクランク軸の回転運動の不均一性を表すセグメント時間信号を供給すること、
   個々のシリンダごとに、前記セグメント時間に基づいて、クランク軸の周波数で発生する成分を有する回転不規則値が形成されること、
   同じ伝送車のセグメントに付属されるセグメント時間の差の形成により、回転不規則値内の前記成分がフィルタリングされること、
   その後に、前記フィルタリングされた回転不規則値がしきい値と比較されること、
   前記フィルタリングされた回転不規則値が前記しきい値を超えるときに、ミスファイアが検出されること、および
   回転速度変化による前記回転不規則値への影響が補償されること
   を含む燃焼ミスファイヤの検出方法。

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