WO2000060327A1 - Verfahren und vorrichtung zur auswertung von ionenstromsignalen zur beurteilung von verbrennungsvorgängen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur auswertung von ionenstromsignalen zur beurteilung von verbrennungsvorgängen Download PDF

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WO2000060327A1
WO2000060327A1 PCT/DE2000/000822 DE0000822W WO0060327A1 WO 2000060327 A1 WO2000060327 A1 WO 2000060327A1 DE 0000822 W DE0000822 W DE 0000822W WO 0060327 A1 WO0060327 A1 WO 0060327A1
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integration
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PCT/DE2000/000822
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Markus Ketterer
Klaus-Juergen Wald
Achim Guenther
Juergen Foerster
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Robert Bosch Gmbh
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D35/00—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for
    • F02D35/02—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for on interior conditions
    • F02D35/021—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for on interior conditions using an ionic current sensor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D2200/00—Input parameters for engine control
    • F02D2200/02—Input parameters for engine control the parameters being related to the engine
    • F02D2200/10—Parameters related to the engine output, e.g. engine torque or engine speed
    • F02D2200/1015—Engines misfires

Definitions

  • the invention relates to the evaluation of ion current signals for assessing combustion processes.
  • the gases involved are ionized by chemical and physical processes. If a voltage is applied to two electrodes protruding from the gas in isolation, a current can be measured which is carried by the ions in the gas space. This is referred to below as the ion current.
  • the spark plug is usually used as a measuring probe. After applying a voltage between the center electrode and ground, the ion current can be measured after the ignition has subsided. Apparatus possibilities for the detection of ion current signals in this environment are known, for example, from US Pat. No. 5,220,821. The ion current signal can be detected both in the high-voltage circuit and in the low-voltage circuit of the ignition system.
  • the invention relates to both method and device aspects in connection with an extraction of features from the ion current signal for assessing the combustion.
  • the focus is on the detection of misfires.
  • a common method for the detection of misfires is the integration of the ion current signal over a predetermined measurement window area.
  • the integration value reached at the end of the measurement window is used as a characteristic for the classification between burns and misfires.
  • the signal-to-noise ratio deteriorates with increasing length of the integration window.
  • the disturbances can to a certain extent be limited by limiting the length of the integration window.
  • Shift operating parameters e.g. speed, air / fuel ratio, etc.
  • Long integration windows can be placed so that they also secure the shifted areas include.
  • the limitation of the integration windows mentioned leads to the problem that the shortened windows may no longer safely encompass the areas mentioned, or that the position of the shortened integration windows relative to reference angle positions of the crankshaft and / or camshaft can be adapted to the conditions of individual internal combustion engine types with great effort .
  • the object of the invention is to provide a device and a method for evaluating the ion current signal with a further increased reliability of the assessment of the quality of combustion processes without increased adaptation effort.
  • An essential feature of the invention is the replacement of a long integration area by a shorter integration area, which is shifted in its position so that it covers the long integration area in connection with the shift.
  • the method according to the invention is distinguished on the one hand by the fact that the actual integration is in each case brief Period can be limited. Due to the brevity, the noise component can only add up to a limited extent. As a result, the method according to the invention is robust with respect to noise components, that is to say insensitive.
  • the sliding shift of the short-term integration area over the entire interesting observation period enables the position of the integration area to be adapted to the general conditions of an individual type of internal combustion engine with advantageously little effort.
  • the invention also provides the advantage of high reliability in assessing the quality of combustion, particularly in the detection of misfires.
  • this method delivers a significant improvement in the signal-to-noise ratio.
  • modifications of the invention can also be used to extract further features for detecting the running limit when the mixture is lean.
  • the running limit is characterized by an increase in carried-over burns.
  • Fig. 1 shows an embodiment of a device according to the invention.
  • Figures 2 and 3 reveal temporal profiles of ion current signals for regular combustion and misfiring.
  • Fig. 4 and 5 show curves of the time integral of the time-discrete ion current signal for regular combustion and for a misfire.
  • Figure 6 shows a further development of the device according to the invention.
  • Figure 7 a shows other typical interference components in the ion current signal that occur in addition to the noise; 7 b-d shows signals that occur in connection with a further development of the invention.
  • Figure 8 shows a further development in the form of a block diagram.
  • Figure 9 illustrates the process again using a regular ion current signal (combustion).
  • Figure 1 shows an ion current sensor 1, which delivers a time-continuous ion current signal i l0 "(t). This signal can be extracted from the secondary circuit as well as the primary circuit of the ignition system for a gasoline engine. In both cases, the spark plug itself, with its electrodes and the means for decoupling the signal, represents an ion current sensor.
  • the number 2 represents a sample / hold element, in which the signal Ta specifies the period of the sampling.
  • the analog / digital converter 3 represents a digitized result of the
  • the sampled ion current signal I lon (n) is then fed to a short-term integrator 4.
  • this integration only takes place in a relatively narrow time range of, for example, 5 ms, but is repeated continuously with the start of integration being pushed on smoothly.
  • Short-term integration window should be based on the duration of the ion current signal at the idle point.
  • the short-term integrator and at the maximum value generator at the beginning of the active measurement window phases (reset) is carried out by the control unit 5. This receives corresponding signals from the engine control unit
  • the output signal of the short-term integrator 4 is then fed to a maximum value generator 7.
  • the maximum value generator selects the maximum amount from the large number of integration results formed by the continuous repetition and makes this available to engine control unit 6 as signal M2.
  • Figures 4 and 5 show the feature M1 for the two input signals according to Figures 2 and 3 with a dotted curve. It can be clearly seen how the noise component falsifies the integration value: As a comparison of FIG. 4 with FIG. 2 shows, the increase in the integration value for
  • the value for N can be, for example, 20, Ta can be, for example, 250 microseconds.
  • the integration window is slid according to the invention over the measurement window. Those accruing every n Results of the partial integrals, that is to say the individual sums in equation 1.3 below, are then fed to a maximum value generator F max . At the end of the measurement window, the maximum value generator contains the feature M 2 according to the invention.
  • FIGS. 4 and 5 also show the courses of the characteristic values M 2 formed according to the invention (solid lines). It can be clearly seen that the signal-to-noise ratio M 2 is influenced only by the integration period D but not by the length of the measurement window (observation period).
  • the signal to noise ratio (ratio of the solid maximum value lines from FIG. 4 to FIG. 5) between burns and misfires is 18.5 (quotient) value.
  • the signal to noise ratio for characteristic N ⁇ (end values of the dashed ion current curves) is only 4.9.
  • the factors K are determined according to the relationship of the relationship (1.5). Then the short-term integration value formed corresponds to the integration approximation according to the tendon-trapeze rule.
  • the division of the entire measurement window into many partial integrals provides information about the temporal behavior of the ion current signal.
  • the number of the partial integral, for which the difference to the previous partial integral value is above a certain threshold for the first time, contains information about the existing ignition delay. This is because the partial integral, in which the associated integration window detects the rising edge of the ion current lobe for the first time, has a significantly larger value than the previous partial integral.
  • the number of the partial integral clearly shows the temporal position of the integration window and thus the start of the ignition.
  • FIG. 6 shows an extended variant of the invention.
  • the control unit 5 can initiate the recording of the output value of the short-term integrator 4 into a memory 8 at selected times (or events).
  • These further features M ⁇ are likewise fed to the engine control unit 6 at the end of the measurement window, that is to say after the last partial integration of an observation window has been completed.
  • These features contain information about the time profile of the ion current signal and are suitable for detecting deviations in the combustion behavior, such as, for example, delayed combustion.
  • a flame core is generated, but the subsequent flame front does not cover the entire combustion chamber. Areas with an unburned fuel / air mixture remain, which can subsequently burn - to a certain extent delayed in time.
  • the reason for delayed burns can be, for example, a mixture that is too lean.
  • the number of the partial integral at which the partial integration value last exceeds a certain percentage of the maximum value M 2 provides the information as to whether a delayed combustion has taken place.
  • the method according to the invention is used for time-discrete signal processing.
  • this method delivers a significant improvement in the signal-to-noise ratio.
  • the feature value M2 according to the invention [marked int_roh in FIG. 7 d] could be strongly falsified.
  • a reliable distinction between regular burns and misfires is made difficult by this Disruption during integration results in values similar to burns. As a result, misfires occurring in parallel are no longer reliably detected. This impairment of the detection reliability could be observed in particular when the internal combustion engine was idling.
  • dropouts must also be reliably detected in the idle range. In the context of the invention, this is achieved by masking out short interference pulses in the processing of the ion current signals.
  • Characteristic of the observed interference components e.g. caused by ignitions in other cylinders is the short signal duration in relation to a regular ion current signal.
  • Figure 8 shows the process since then, together with the addition, in the form of a block diagram.
  • the functional blocks of the supplement are arranged in the top line.
  • the ion current signal I ion (n) sampled in the time grid T a is subjected to a sliding summation according to relationship 1.6 in the short-term integrator 8.1:
  • Block 8.1 thus corresponds to the short-term integrator 4 from FIG. 1.
  • the short-term summation signal int_k (n) is not automatically fed to a maximum value generator 8.4. This is shown in FIG. 8 by the open switch 8.2 between the short-term integrator 8.1 and the maximum value generator 8.4.
  • the ion current signal I lon (n) is compared in block 8.3 with a threshold value SWINT provided by block 8.5.
  • the value INTLEN from block 8.7 is assigned to a counter 8.6.
  • the counter is decremented by 1, zero being the smallest possible counter value.
  • int_roh (n) thus corresponds to the maximum of the short-term integration results considered.
  • Figure 7 (a - d) illustrates the mode of operation of the extended method on the basis of signal curves.
  • the sampled ion current values are above the threshold value 7.3. Accordingly, the value of the counter swcnt is decremented.
  • the ion current lobe 9.1 which appears broadly in the scaling of FIG. 9 a, corresponds to regular combustion. In this case, several consecutive sampled ion current values are well above the threshold.
  • the method according to claim 1 can also be used without the extension described with reference to FIGS. 7, 8 and 9.

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Abstract

Vorgestellt wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Detektion von Verbrennungsaussetzern an Verbrennungsmotoren, bei denen ein gemessenes Ionenstromsignal einer gleitenden Kurzzeitintegration unterzogen wird und bei denen ein Merkmal gebildet wird, welches dem Maximalwert des gleitenden Kurzzeitintegrators innerhalb der gesamten Beobachtungsdauer entspricht. Die Fensterlänge des Kurzzeitintegrators ist kürzer als die gesamte Beobachtungsdauer und wird gleitend über die Beobachtungsdauer verschoben.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Auswertung von lonenstromsignalen zur Beurteilung von Verbrennungsvorgängen
Die Erfindung betrifft die Auswertung von lonenstromsignalen zur Beurteilung von Verbrennungsvorgangen.
Bei Verbrennungen erfolgt durch chemische und physikalische Vorgange eine Ionisierung der beteiligten Gase. Wird an zwei voneinander isoliert in das Gas hineinragenden Elektroden eine Spannung angelegt, kann ein Strom gemessen werden, der von den Ionen im Gasraum getragen wird. Dieser wird nachfolgend als Ionenstrom bezeichnet.
Bei Verbrennungsvorgangen in Brennkraftmaschinen, z.B. in Ottomotoren wird seit langem versucht, den Ionenstrom für verschiedene Motorsteuerungs- und Diagnosefunktionen einzusetzen, beispielsweise für Klopfdetektion,
Aussetzererkennung, Schätzung des Verbrennungsdruckes bzw. der Lage des Druckmaximums, Bestimmung der Gemischzusammensetzung und Erkennung der Magerlaufgrenze .
Als Meßsonde wird üblicherweise die Zündkerze verwendet. Nach Anlegen einer Spannung zwischen Mittelelektrode und Masse kann nach Abklingen des Zundfunkens der Ionenstrom gemessen werden. Apparative Möglichkeiten der Erfassung von lonenstromsignalen in diesem Umfeld sind bspw. aus der US 5 220 821 bekannt. Das Ionenstromsignal kann sowohl im Hochspannungskreis als auch im Niederspannungskreis der Zündanlage erfaßt werden.
Die Erfindung betrifft sowohl Verfahrens- als auch Vorrichtungsaspekte in Verbindung mit einer Extraktion von Merkmalen aus dem Ionenstromsignal zur Beurteilung der Verbrennung .
Im Vordergrund steht dabei die Erkennung von Verbrennungsaussetzern.
Ein übliches Verfahren für die Detektion von Verbrennungsaussetzern ist die AufIntegration des lonenstromsignals über einen vorgegebenen Meßfensterbereich. Der bei Meßfensterende erreichte Integrationswert wird als Merkmal zur Klassifikation zwischen Verbrennungen und Aussetzern herangezoge .
Sind dem gemessenen Ionenstromsignal Störanteile überlagert, so verschlechtert sich der Störabstand mit zunehmender Länge des Integrationsfensters. Um in Betriebspunkten mit schwachen lonenstromsignalen noch eine Klassifikation zu ermöglichen, können die Störungen gewissermaßen durch eine Begrenzung der Länge des Integrationsfensters ausgegrenzt werden.
Die Möglichkeit der genannten Begrenzung wird jedoch durch einen anderen Effekt eingeschränkt: Der Bereich, in dem ein Ionenstromsignal meßbar ist, kann sich in Abhängigkeit der
Betriebsparameter (z.B. Drehzahl, Luft-/KraftstoffVerhältnis u.a.) wesentlich verschieben. Lange Integrationsfenster können so gelegt werden, daß sie auch die verschobenen Bereiche sicher umfassen. Die genannte Begrenzung der Integrationsfenster führt jedoch zu dem Problem, daß die verkürzten Fenster u.U. die genannten Bereiche nicht mehr sicher umfassen oder daß die Lage der verkürzten Integrationsfenster relativ zu Bezugswinkelpositionen der Kurbel- und/oder Nockenwelle mit hohem Aufwand an die Verhältnisse individueller Brennkraftmaschinentypen anzupassen sind.
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung in der Angabe einer Vorrichtung und eines Verfahrens zur Auswertung des lonenstromsignals mit weiter gesteigerter Zuverlässigkeit der Beurteilung der Qualität von Verbrennungsvorgängen ohne gesteigerten Anpassungsaufwand.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst .
Ein wesentliches Merkmal der Erfindung stellt das Ersetzen eines langen Integrationsbereiches durch einen kürzeren Integrationsbereich dar, der in seiner Lage so verschoben wird, daß er in Verbindung mit der Verschiebung den langen Integrationsbereich abdeck .
Während der Verschiebung wird wiederholt kurzzeitig integriert und der Wert des Integrators wird vor jeder neuen Integration auf einen Ausgangswert zurückgesetzt . Der Maximalwert der so erhaltenen verschiedenen Ergebnisse der Kurzzeitintegration wird für die Beurteilung der Verbrennungsqualität, bspw. für die Erkennung von Verbrennungsaussetzern verwendet.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich einerseits dadurch aus, daß die eigentliche Integration jeweils auf einen kurzen Zeitraum beschränkt werden kann. Aufgrund der Kürze kann sich der Rauschanteil nur beschränkt aufsummieren. Dadurch wird das erfindungsgemäße Verfahren gegenüber Rauschanteilen robust, das heißt unempfindlich.
Andererseits ermöglicht die gleitende Verschiebung des Kurzzeitintegrationsbereiches über den ganzen interessierenden Beobachtungszeitraum eine Anpassung der Lage des Integrationsbereiches an die Rahmenbedingungen eines individuellen Brennkraftmaschinentyps mit vorteilhaft geringem Aufwand.
Aus dem Rauschen aufragende Nutzsignalanteile werden in einer der Kurzeitintegrationen erfaßt und können durch eine nachfolgende Maximalwertauswahl identifiziert werden. Daher liefert die Erfindung überdies den Vorteil einer hohen Zuverlässigkeit bei der Beurteilung der Verbrennungsqualität, insbesondere bei der Erkennung von Verbrennungsaussetzern.
Speziell bei vorhandenem Signalrauschen (Grundrauschen) liefert dieses Verfahren eine deutliche Verbesserung des Signal- zu RauschabStandes .
Untersuchungen haben aber auch gezeigt, daß es im Ionenstromsignal neben dem Grundrauschen Störanteile mit großen Amplituden gibt, die das Verfahren stark stören.
Die großen Amplituden dieser Störanteile erschweren eine zuverlässige Unterscheidung zwischen regulären Verbrennungen und Verbrennungsaussetzern, da diese Störungen bei der
AufIntegration ähnliche Werte ergeben wie Verbrennungen. Parallel auftretende Verbrennungsaussetzer werden dann möglicherweise nicht mehr zuverlässig erkannt. Dies konnte insbesondere im Leerlauf des Verbrennungsmotors beobachtet werden.
Aufgrund gesetzgeberischer Forderungen müssen Aussetzer auch im Leerlaufbereich sicher erkannt werden. Im Rahmen einer Weiterbildung der Erfindung gelingt dies durch eine Ausblendung kurzer Störimpulse in der Verarbeitung der Ionenstromsignale.
Abwandlungen der Erfindung können alternativ oder ergänzend zur Aussetzererkennung auch zur Extraktion weiterer Merkmale für das Erkennen der Laufgrenze bei Gemischabmagerung verwendet werden. Die Laufgrenze zeichnet sich durch eine Zunahme von verschleppten Verbrennungen aus .
Zeichnungen
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezug auf die Abbildungen erläutert.
Abb. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die Abbildungen 2 und 3 offenbaren zeitliche Verläufe von lonenstromsignalen für reguläre Verbrennungen und Verbrennungsaussetzer .
Die Abb. 4 und 5 zeigen Verläufe des zeitlichen Integrals des zeitdiskreten lonenstromsignals für eine reguläre Verbrennung und für einen Verbrennungsaussetzer. Abbildung 6 stellt eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung dar.
Abbildung 7 a zeigt weitere typische Störanteile im Ionenstromsignal, die zusätzlich zum Rauschen auftreten; Fig 7 b-d stellt Signale dar, die in Verbindung mit einer Weiterbildung der Erfindung auftretene.
Abbildung 8 stellt eine Weiterbildung der in Form eines Blockschaltbildes dar.
In Abbildung 9 ist das Verfahren nochmals an einem regulären Ionenstromsignal (Verbrennung) illustriert.
Im einzelnen zeigt Abbildung 1 einen lonenstromsensor 1, der ein zeitkontinuierliches Ionenstromsignal il0„(t) liefert. Dieses Signal kann sowohl aus dem Sekundärkreis wie auch dem Primärkreis der Zündanlage für einen Ottomotor ausgekoppelt werden. In beiden Fällen stellt die Zündkerze selbst mit ihren Elektroden sowie den Mitteln zur Signalauskopplung einen lonenstromsensor dar.
Die Ziffer 2 repräsentiert ein Abtast/Halte-Glied, bei dem das Signal Ta die Periodendauer der Abtastung vorgibt . Der Analog/Digitalwandler 3 stellt ein digitalisiertes Ergebnis der
Abtastung als Signal Il0„(n) bereit. Dabei numeriert n die Taktfolge der Abtastungen, so daß gilt :
Il0„ (n) = ilon (n - Ta) [Ta = Abtastperiodendauer] ( 1 . 1 ) Das abgetastete Ionenstromsignal llon(n) wird danach einem Kurzzei integrator 4 zugeführt .
Diese Integration findet erfindungsgemäß nur in einen verhältnismäßig schmalen Zeitbereich von bspw. 5 ms statt, wird aber mit gleitend weitergeschobenen Integrationsbeginn fortlaufend wiederholt . Die Dauer des
Kurzzeitintegrationsfensters sollte sich nach der Dauer des lonenstromsignals im Leerlaufpunkt richten Der Start einzelner Integrationsphasen durch Freigabe des
Kurzzeitintegrators während aktiver Meßfensterphasen sowie die
Auslösung der Löschung interner Zustandsspeieher am
Kurzzeitintegrator und am Maximalwertbildner zu Beginn der aktiven Meßfensterphasen (Reset) erfolgt durch die Steuereinheit 5. Diese erhält entsprechende Signale von dem Motorsteuergerät
6. Beispiele solcher Signale sind Zündzeitpunkte und
Kurbelwellenwinkelpositionssignale.
Anschließend wird das Ausgangssignal des Kurzzeitintegrators 4 einem Maximalwertbildner 7 zugeführt.
Aus der Vielzahl der durch die fortlaufende Wiederholung gebildeten Integrationsergebnisse wählt der Maximalwertbildner erfindungsgemäß das betragsmäßige Maximum aus und stellt dies als Signal M2 dem Motorsteuergerät 6 zur Verfügung.
Bei einem Verbrennungsaussetzer fehlt der Signalanteil des Ionenstroms einer regulären Verbrennung, so daß ein Aussetzer durch einen vergleichsweise zu niedrigen Wert des Maximums M2 detektierbar ist. In Abtastsysteme mit fester Abtastfrequenz wird eine Integration für gewöhnlich durch die Rechenvorschrift (1.2) nachgebildet. Das Ergebnis der Integration des lonenstromsignals im Block 4 wird im folgenden mit dem Zeichen Mx (Merkmal 1) bezeichnet.
Mχ (n) = Mx (n - \) + Ta - I,on ( ) (1.2)
In den Abbildungen 2 und 3 sind entsprechend abgetastete Ionenstromsignale dargestellt. Dabei signalisiert der keulenförmige Verlauf im Signal der Fig. 2 eine reguläre
Verbrennung während das Fehlen dieser Keule im Verlauf des lonenstromsignals der Abbildung 3 einen Verbrennungsaussetzer charakterisiert. Beiden Signalen ist ein deutlich sichtbarer Rauschanteil überlagert.
In den Abbildungen 4 und 5 ist das Merkmal Ml für die beiden Eingangssignale nach Abbildung 2 und 3 mit punktiertem Verlauf dargestellt. Es ist deutlich erkennbar, wie der Rauschanteil den Integrationswert verfälscht : Wie ein Vergleich der Figur 4 mit der Figur 2 zeigt, wird der Zuwachs des Integrationswertes für
Zeiten größer als etwa 20 ms allein durch den Rauschanteil verursacht. Im Falle der Verbrennung (Abbildung 4) trägt das Signalrauschen zu ca. 40% des Merkmalsendwertes bei.
Dieser Nachteil wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur
Merkmalsbildung (siehe Beziehung (1.3)) dadurch vermieden, daß das Integrationsfenster zeitlich auf eine Dauer D = N*Ta begrenzt wird. Der Wert für N kann bspw. 20 betragen, Ta kann bspw. 250 Mikrosekunden betragebn. Um dennoch im gesamten Meßfensterbereich eine gute lonenstromdetektion sicherzustellen, wird das Integrationsfenster erfindungsgemäß gleitend über das Meßfenster verschoben. Die im Rechentakt n anfallenden Ergebnisse der Teilintegrale, das heißt der Einzelsummen in der folgenden Gleichung 1.3, werden anschließend einem Maximalwertbildner Fmax zugeführ . Am Ende des Meßfensters enthält der Maximalwertbildner das erfindungsgemäße Merkmal M2.
M2 = Fm ∑K, - I,on(n -i) K = T (1.3)
Der in Beziehung (1.3) enthaltene Maximalwertoperator Fm gehorcht der Beziehung (1.4) .
,, . ^ , , Λ Z(«) = /(«-l) wenn s(n) < f(n - \) f(n) = F mΛs(n))^ / , (,n) = s ,(n ,) sonst, d-4'
In den Abbildungen 4 und 5 sind neben den fortlaufend integrierten Signalen aus den Fig. 2 und 3 auch die Verläufe der erfindungsgemäß gebildeten Merkmalswerte M2 dargestellt (durchgezogene Linien) . Es ist deutlich erkennbar, daß der Störabstand M2 nur durch die Integrationsdauer D nicht aber durch die Länge des Meßfensters (Beobachtungszeitdauer) beeinflußt wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Merkmal M2 liegt der Signal- zu Rauschabstand (Verhältnis der durchgezogenen Maximalwert Linien von Fig. 4 zu Fig. 5) zwischen Verbrennungen und Aussetzern bei 18.5 (Quotient )Wert. Demgegenüber liegt der Signal- zu Rauschabstand beim Merkmal N^ (Endwerte der gestrichelten Ionenstromverlaufe) nur bei 4.9. In einer Weiterbildung der Erfindung werden die Faktoren K nach Beziehung der Beziehung (1.5) bestimmt. Dann entspricht der gebildete Kurzzeit-Integrationswert der Integrationsapproximation nach der Sehnen-Trapez-Regel.
T° ßr i {0,D} K, = /2 (1.5)
T„ sonst
Die Aufteilung des gesamten Meßfensters in viele Teilintegrale liefert Informationen über das zeitliche Verhalten des lonenstromsignals. So steckt in der Nummer des Teilintegrals, bei dem die Differenz zum vorigen Teilintegralwert erstmals über einer bestimmten Schwelle liegt, die Information über den vorhandenen Zündverzug. Denn das Teilintegral, bei dem das zugehörige Integrationsfenster erstmals die ansteigende Flanke der Ionenstromkeule erfaßt, weist einen deutlich größeren Wert als das vorhergehende Teilintegral auf. Aus der Nummer des Teilintegrals geht die zeitliche Lage des Integrationsfensters und damit der Beginn der Entflammung eindeutig hervor.
Fig. 6 stellt eine erweiterte Variante der Erfindung dar. Darin kann die Steuereinheit 5 die Aufnahme des Ausgangswertes des Kurzzeitintegrators 4 zu ausgesuchten Zeitpunkten (oder Ereignissen) in einen Speicher 8 veranlassen. Diese weiteren Merkmale Mμ werden am Meßfensterende, das heißt nach Abschluß der letzten Teilintegration eines Beobachtungsfensters ebenfalls dem Motorsteuergerät 6 zugeführt. Diese Merkmale enthalten Informationen über den zeitlichen Verlauf des lonenstromsignals und sind geeignet, Abweichungen im Brennverhalten wie bspw. verschleppte Verbrennungen zu detektieren. Bei einer verschleppten Verbrennung wird zwar ein Flammkern erzeugt , die anschließende Flammenfront erfaßt jedoch nicht den gesamten Brennraum. Es bleiben Bereiche mit unverbrannten Kraftstoff/Luftgemisch zurück, die zu einem späteren Zeitpunkt - gewissermaßen zeitlich verschleppt - nachverbrennen können. Der Grund für verschleppte Verbrennungen kann z.B. ein zu mageres Gemisch sein.
So liefert beispielsweise die Nummer des Teilintegrals, bei dem der Teilintegrationswert letztmalig einen bestimmten Prozentsatz des Maximalwertes M2 überschreitet, die Information, ob eine verschleppte Verbrennung stattgefunden hat .
In einem Ausführungsbeispiel wird das erfindungsgemäße Verfahren bei zeitdiskreter Signalverarbeitung angewendet .
Speziell bei vorhandenem Signalrauschen (Grundrauschen) liefert dieses Verfahren eine deutliche Verbesserung des Signal- zu RauschabStandes .
Die Untersuchungen haben aber auch gezeigt, daß es im Ionenstromsignal weitere typische Störanteile gibt, die das Verfahren stark stören. Ein solcher Fall ist in Abbildung 7 dargestellt. In dem Ionenstromsignal (Verbrennungsaussetzer) sind 3 Störanteile enthalten [am Signalbeginn, bei t = 7ms und bei t = 13.5ms] .
Aufgrund der großen Amplituden dieser Störanteile könnte der erfindungsgemäße Merkmalswert M2 [in der Abbildung 7 d mit int_roh gekennzeichnet] stark verfälscht werden. Eine zuverlässige Unterscheidung zwischen regulären Verbrennungen und Verbrennungsaussetzern wird dadurch erschwert, da diese Störungen bei der AufIntegration ähnliche Werte ergeben wie Verbrennungen. Das hat zur Folge, daß parallel auftretende Verbrennungsaussetzer nicht mehr zuverlässig erkannt werden. Diese Beeinträchtigung der Erkennungszuverlässigkeit konnte insbesondere im Leerlauf des Verbrennungsmotors beobachtet werden.
Aufgrund gesetzgeberischer Forderungen müssen Aussetzer auch im Leerlaufbereich sicher erkannt werden. Im Rahmen der Erfindung gelingt dies durch eine Ausblendung kurzer Stö impulse in der Verarbeitung der Ionenstromsignale.
Kennzeichnend für die beobachteten Störanteilen, die z.B. durch Zündungen in anderen Zylindern verursacht werden, ist die im Verhältnis zu einem regulären Ionenstromsignal kurze Signaldauer .
Die Ergänzung des Verfahrens sieht daher vor, diese Information bei der Bildung des Merkmalswertes zusätzlich zu nutzen. In Abbildung 8 ist das seitherige Verfahren mitsamt der Ergänzung in Form eines Blockschaltbildes dargestellt . Hierbei sind die funktionalen Blöcke der Ergänzung in der oberen Zeile angeordnet .
Das im Zeitraster Ta abgetastete Ionenstromsignal Iion(n) wird gemäß Beziehung 1.6 im Kurzzeitintegrator 8.1 einer gleitenden Summation unterzogen:
N-\ int_k(n) = ∑K Ii0n (n - i) (1.6) ι=0 int_k(n) entspricht damit im wesentlichen den Teilintegralen, bzw. den EinzelSummanden aus der oben angegeben Gleichung 1.3. Block 8.1 entspricht damit dem Kurzzeitintegrator 4 aus Fig. 1.
Die Weiterentwicklung des Verfahrens liegt nun darin, daß das Kurzzeitsummationssignal int_k(n) nicht automatisch einem Maximalwertbildner 8.4 zugeführt wird. In der Fig. 8 wird dies durch den offen dargestellten Schalter 8.2 zwischen dem Kurzzeitintegrator 8.1 und dem Maximalwertbildner 8.4 dargestellt.
Statt dessen wird parallel dazu eine Freigabebedingung b_ir berechnet. Nur wenn diese Bedingung erfüllt ist [b_ir = 1] wird der Schalter 8.2 geschlossen und das Kurzzeitsummationssignal dem Maximalwertbildner zugeführt .
Für die Berechnung der Freigabebedingung wird das Ionenstromsignal Ilon(n) im Block 8.3 mit einem vom Block 8.5 zur Verfügung gestellten Schwellwert SWINT verglichen. In jedem Zeitschritt Ta, in dem das Ionenstromsignal diese Schwelle nicht übersteigt, wird einem Zähler 8.6 der Wert INTLEN aus Block 8.7 zugewiesen. In Zeitschritten Ta, bei denen das Ionenstromsignal die Schwelle übersteigt wird der Zähler um 1 dekrementiert, wobei Null der kleinste mögliche Zählerwert ist.
In diesen Zeitschritten Ta, in denen der Zählerwert swcnt(n) identisch Null ist, wird die Freigabebedingung gesetzt [b_ir = 1] . Die Identität zwischen dem Zählerwert swcnt (n) und dem Wert Null wird durch Block 8.8 erkannt; der Wert Null wird aus dem Block 8.9 zugeführt. Mit anderen Worten: Die Verarbeitung des lonenstromsignals wird nur dann freigegeben, wenn das Ionenstromsignal längerfristig oberhalb eines Schwellenwertes bleibt. In diesem Fall bildet Block 8.3 das Maximum int_roh(n) des lonenstromsignals bspw. nach der Beziehung
int_roh(n) = max [int_ro (n-1) , int_k (n) ] , für b_ir = 1
= int roh(n-l) , für b ir = 0
int_roh (n) entspricht damit dem Maximum der betrachteten Ergebnisse der Kurzzeitintegration.
In der Abbildung 7 (a - d) wird die Wirkungsweise des erweiterten Verfahrens anhand von Signalverläufen illustriert. In dem konkreten Beispiel ist SWINT = 3μA und INTLEN = 3.
Bei allen Störanteilen 7.1, 7.2 liegen die abgetasteten Ionenstromwerte über dem Schwellwert 7.3. Dementsprechend wird der Wert des Zählers swcnt dekrementiert .
Jedoch reicht die Dauer der einzelnen Störanteile nicht aus, um den Zähler bis auf Null zu dekrementieren. Aus diesem Grund ist die Freigabebedingung niemals erfüllt, d.h., b_ir bessitzt dauernd den Wert Null . Siehe dazu die Fig. 7 c, unten.
Der Merkmalsendwert int_roh gleich M2 besitzt in diesem Fall exakt den Wert Null (Fig. 7 d) . In Abbildung 9 ist das Verfahren nochmals an einem regulären Ionenstromsignal (Verbrennung) illustriert.
Die in der Skalierung der Fig. 9 a breits erscheinende lonenstromkeule 9.1 entspricht einer regulären Verbrennung . In diesem Fall liegen mehrere aufeinanderfolgende abgetastete Ionenstromwerte deutlich über der Schwelle.
Der Zähler swcnt in Fig. 9 c erreicht innerhalb von INTLEN Zeitrastern den Wert Null, woraufhin die Freigabebedingung erfüllt ist (swcnt=0, b_ir = 1) und der Maximalwert in Fig. 9 d entsprechend aktualisiert wird.
Da in dem Kurzzeitintegrator noch alle Werte des lonenstromsignals enthalten sind (Summationsfenster ist länger als Verzögerungszeit für Integrationsfreigabe) wird durch diese Erweiterung des Verfahrens der Merkmalswert bei Verbrennungen nicht verändert .
Bei Motoren mit entsprechend starkem Ionenstromsignal ist das
Verfahren nach Anspruch 1 auch ohne diese anhand der Figuren 7, 8 und 9 beschriebenen Erweiterung anwendbar.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren und Vorrichtung zur Detektion von Verbrennungsaussetzern an Verbrennungsmotoren dadurch gekennzeichnet, daß ein gemessenes Ionenstromsignal einer gleitenden Kurzzeitintegration unterzogen wird und ein Merkmal gebildet wird, welches dem Maximalwert des gleitenden Kurzzeitintegrators innerhalb der gesamten Beobachtungsdauer entspricht. Die Fensterlänge des Kurzzeitintegrators ist kürzer als die gesamte Beobachtungsdauer und wird gleitend über die Beobachtungsdauer verschoben.
2. Ein Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch (1) dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des Kurzzeitintegrators zu bestimmten Zeitpunkten oder Ereignissen für eine weitere Auswertung erfaßt wird.
3. Verfahren und Vorrichtung zur Detektion von Verbrennungsaussetzern nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein gemessenes Ionenstromsignal einer gleitenden Kurzzeitintegration unterzogen wird und der Ausgangswert des Kurzzeitintegrators einem Maximalwertbildner zugeführt wird, sobald eine Freigabebedingung erfüllt ist und wobei die Freigabebedingung dann erfüllt ist, wenn das Ionenstromsignal für eine einstellbare Zeitdauer ständig einen einstellbaren Schwellwert überschritten hat, wobei die Freigabebedingung bei Unterschreiten des Schwellwertes sofort zurückgenommen wird.
4. Verfahren und Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schwellwert und die Zeitdauer von motorischen und physikalischen
Randbedingungen (z.B. Drehzahl, Last, lonenstromamplituden) abhängt .
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