WO2004040251A1 - Messung des drehmomentes eines verbrennungsmotors aus den lagerkräften - Google Patents

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WO2004040251A1
WO2004040251A1 PCT/EP2003/011049 EP0311049W WO2004040251A1 WO 2004040251 A1 WO2004040251 A1 WO 2004040251A1 EP 0311049 W EP0311049 W EP 0311049W WO 2004040251 A1 WO2004040251 A1 WO 2004040251A1
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WO
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torque
internal combustion
combustion engine
signal
ignition
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Application number
PCT/EP2003/011049
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French (fr)
Inventor
Ingo Behr
Roland Fischer
Dirk Herbstritt
Klaus Hoffmann
Andreas Kunz
Reinhard Seyer
Ulrich-P. Thiesen
Original Assignee
Daimlerchrysler Ag
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Filing date
Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M15/00—Testing of engines
    • G01M15/04—Testing internal-combustion engines
    • G01M15/12—Testing internal-combustion engines by monitoring vibrations

Definitions

  • the invention relates to a method of measuring the torque of an internal combustion engine.
  • a supporting force sensor for measuring the bearing forces of an internal combustion engine is known.
  • the support force sensor is located in the engine block supports between the engine block and the vehicle chassis.
  • the engine block is elastically supported in the supports using vibration absorbers and fastened using bolts.
  • the support force sensor is designed as a pressure sensor and measures the pressure in the support.
  • the pressure in the support is determined by the preload of the bolt connection and by the reaction forces in the supports due to a torque applied to the crankshaft of the internal combustion engine.
  • the preload provides a static pressure signal, while the essentially dynamic signal component can be positively correlated with the torque due to the applied torque and finally calibrated to the torque. This makes it possible to determine the torque from the support forces.
  • the determination of dynamic signal components is not provided with a device such as that from JP 55-078227, rather the dynamic components are largely absorbed by the vibration absorbers, which are also arranged in the immediate vicinity of the supporting force sensor in the support.
  • DE 19545008 A1 describes a method and a device for monitoring periodically operating machines for the early detection of machine changes, in which machine-specific measurement signals are detected by means of a monitoring sensor, which are recorded in an evaluation unit by means of an processing analysis.
  • the measurement signals are converted into a spectrum of several frequencies by means of Fourier transformation, the multiples of which are referred to as orders with the revolutions of the machine.
  • every order has an amplitude. From the change in the amplitudes of certain frequencies, or the deviation of the amplitudes of certain frequencies from a reference spectrum, which was obtained from the error-free operation of the machines, it is possible to infer fault states and malfunctions of the machine.
  • DE 19545008 AI The order analysis from DE 19545008 AI also works with reference spectra and only detects the deviation of the current spectra from the standard spectra.
  • the object of the invention is therefore to present a method for torque measurement and cylinder monitoring that can be used with any individual engine.
  • the solution is achieved with a method according to claim 1 or 13. Further alternative embodiments of the method are contained in the subclaims and the description.
  • the reaction forces that occur when torque is delivered to the engine mount are determined.
  • These forces are measured by force transducers as monitoring sensors. which as measuring range, time resolution, force resolution, accuracy, temperature range are conditioned for the special requirements'.
  • Suitable force transducers are manufactured, for example, as load cells in plant engineering. Their structure is simple and in most cases is based on strain gauges.
  • the useful torque of an internal combustion engine is determined by the gas forces that drive the engine. However, a whole series of other forces occur on an internal combustion engine which interfere with the determination of the driving forces.
  • the method according to the invention makes it possible to determine torque, adjusted for disturbance variables, on internal combustion engines from the support forces. It thus represents a cost-effective drive for torque determination on running internal combustion engines, which can be used unchanged on all engine variants. Interventions in the internal combustion engines for attaching sensors and signal lines, as are necessary, for example, in the case of magnetostrictive torque measurements on drive shafts, are omitted in the invention.
  • the order analysis results in frequency spectra with main maxima in integer multiples of the respective engine order.
  • the amplitude of the zero engine order is a measure of the current torque of the running machine.
  • Maxima in the frequency spectrum at non-integer multiples of the engine order indicate processes in the internal combustion engine that are not synchronized with the crankshaft. These are usually malfunctions or malfunctions.
  • the method according to the invention can therefore also be used to detect malfunctions.
  • a maximum in the frequency spectrum at half the engine order indicates, for example, in the case of an internal combustion engine that there is a misfire or a faulty gas exchange, due to faulty opening or faulty closing of the valves.
  • Fig. 1 is a schematic diagram with the most important elements that are required to implement the invention; 2 shows a measurement diagram of a faultlessly working 6-
  • Cylinder internal combustion engine 3 shows a measurement diagram of a ⁇ -cylinder internal combustion engine with a fault in the second cylinder;
  • Fig. 4 is a measurement diagram of a ⁇ -cylinder internal combustion engine with a fault in the 5th cylinder.
  • Fig. 5 A schematic diagram with the most important elements for
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an internal combustion engine 1 which is connected in at least two supports 2a, 2b, for example on the chassis of a motor vehicle.
  • a pressure-voltage converter 3 is attached as a supporting force sensor in the supports between the engine-side fastening and the chassis, which absorbs the bearing forces with which the engine is supported against the chassis as a result of the driving torque of the engine.
  • the drive torque on the crankshaft 4 is symbolized by an arrow 5.
  • a speed-voltage converter 6 in the form of a crankshaft sensor is arranged on the crankshaft.
  • the voltage signals of the supporting force sensors are recorded and processed with a signal processor 7 1 .
  • the two signals are preferably switched in a differential circuit with respect to one another, so that signal components in the same direction, which are caused, for example, by the engine weight, are averaged out and signal signals in opposite directions, which are caused in particular by the torque applied to the crankshaft, are amplified.
  • the processed signal from the two supporting force sensors is digitized and can alternatively be further processed by a variable, digital frequency filter. This can be particularly useful if, as is often the case in real technology, only a finite number of frequencies is to be considered. Then, for example, a low-pass filter is available that filters out high-frequency signal components. If you want to filter out specific interference frequencies, the cause of which is known, it is advisable to filter out these interference frequencies in a targeted manner using band filters.
  • the processed differential signal of the two vertical load sensors is further processed with a signal processor 9.
  • the signal processor can e.g. be a digital oscilloscope.
  • the signal from the torque sensor is also fed into the signal processor.
  • the signal sequence of the differential signal is recorded in its chronological order and is synchronized with the signal from the crankshaft sensor and the ignition signal from the ignition distributor or igniter 10.
  • the synchronized time profiles from the differential signal, ignition signal and crankshaft signal are recorded and stored in a memory unit RAM.
  • the time diagrams stored in the RAM of the signal processor can be read out via interfaces 11 and Other electronic process computers CPU as well as with further data processing programs running on these further process computers are further processed and analyzed.
  • the further electronic process computers can, for example, be designed in one piece in a workshop in the form of a personal computer, in the form of a central diagnostic computer in a remote diagnostic center, in the form of an on-board computer integrated in the vehicle or together with the signal processor.
  • the temporal difference signal of the two supporting force sensors is transformed into its frequency spectrum by means of Fast Fourier Transformation FFT.
  • the frequency spectrum in turn can be further processed either by deliberately hiding individual interference frequencies or by logarithmizing the Fourier spectrum log (FFT).
  • FFT Fourier spectrum log
  • the logarithmicization has the advantage that higher orders of the harmonics that were generated by the Fourier transformation and which usually have no original, technical cause fall out and thus, in the inverse transformation, a time signal of the torque curve that has been cleaned of high-frequency interference pulses and reflection signals is obtained on a time axis and synchronized with the ignition signal and synchronized with the crankshaft signal.
  • This cepstrum can be visualized and output on conventional output devices 11 in graphic form.
  • Fig. 2 shows a plot taken on a trouble-free 6 cylinder in-line engine.
  • the upper diagram shows the back-transformed torque curve on the crankshaft.
  • the torque curve is plotted over time.
  • the time axis is synchronized with the TDC signal, for top dead center, the crankshaft sensor and with the ignition signal for the first cylinder.
  • the ignition sequence of the 6-cylinder in-line engine used is also entered, which is ignited with the ignition sequence 1,5,3,6,2,4.
  • the individual torque fluctuations can be assigned to the different cylinders.
  • the revised Fourier analysis of the original differential signal from the two supporting force sensors is plotted in the lower diagram of the plot.
  • the Fourier spectrum was cleaned up in higher-frequency orders that are larger than the 4th engine order.
  • the torque curve of the upper diagram in FIG. 1 was obtained from the adjusted Fourier spectrum by reverse transformation.
  • the current mean value of the torque is obtained by averaging the temporal torque curve.
  • the mean value of the torque is entered in the diagram as a dash-dotted line, and is 9 no. In the recorded test.
  • the Fourier spectrum was plotted over the engine order, i.e. the integer multiple of a complete revolution of the crankshaft.
  • the first engine order corresponds to a third of the excitation frequency, the frequency with which the crankshaft is excited. With a 6-cylinder four-stroke engine, this means 3 ignition processes per revolution of the crankshaft.
  • the first engine order for a 6-cylinder four-stroke engine is one third of the excitation frequency.
  • the amplitude of the zero engine order in the Fourier spectrum then corresponds to the mean torque on the crankshaft of the internal combustion engine.
  • the amplitude of the third engine order is a measure of the sum of the gas forces which periodically act on the crankshaft at a third of the crankshaft speed. For a 6-cylinder four-stroke engine, this means in particular three ignition processes per revolution.
  • the height The amplitude of the third engine order is therefore a measure of how many periodic processes take place on the crankshaft with a period of one third of the crankshaft revolution.
  • the torque is determined by averaging the back-transformed torque curve of the Fourier spectra of the original supporting force sensor adjusted for higher engine orders, in particular engine orders greater than 20, in the event that only one supporting force sensor is used, or from the adjusted Fourier spectrum of the original differential signal from two supporting force sensors, if two supporting force sensors are used, which are connected in a suitable manner in a differential circuit to each other.
  • the torque can also be determined by calibrating the amplitude of the zeroth motor order in the Fourier spectrum.
  • the zeroth motor order of the Fourier spectrum also contains the mean value of the original measurement signals.
  • FIG. 3 shows the plot of a measurement protocol obtained by the method according to the invention on a 6-cylinder four-stroke engine with a fault in the second cylinder.
  • the second cylinder does not fire.
  • FIG. 3 and a comparison with FIG. 2 illustrates the method of operation of the method for engine diagnosis according to the invention.
  • Periodically occurring faults that occur with every second revolution of the crankshaft, such as misfiring or gas exchange faults in the four-stroke engine show up in the Fourier spectrum through the occurrence of an amplitude in half the engine order.
  • Figure 3 was the internal combustion engine is operated empty at no load at 765 rpm with an excitation frequency of 38.25 Hz. The first engine order is then 13 Hz.
  • FIG. 4 again shows a second plot, which was recorded with the method according to the invention on a 6-cylinder engine with misfires on the 5-cylinder.
  • the disturbances in the Fourier spectrum come to light due to the increase in amplitude at half the motor order.
  • the inverse transformation of the Fourier spectrum into the time period results in the torque curve in which, by synchronizing the torque curve with the ignition signal and taking into account the ignition sequence 1,5,3,6,2,4 by counting the maxima starting with the first one following the ignition pulse Peak for the first cylinder, the number of the faulty cylinder is determined as the cylinder whose signal does not have the expected value or whose signal is missing. In the example in FIG. 4, this is the fifth cylinder.
  • the method described above is computer-aided. All process steps run automatically on a computer in which software applications carry out the designated process steps.
  • the output is, for example, a plot as shown by way of example in FIGS. 2 to 4. This output form is primarily intended for a diagnostic technician.
  • a considerably simplified version is provided in the form of a message on a display in the vehicle.
  • a fault is indicated to the vehicle operator, for example in the form "Fault in the 2nd cylinder, please visit a workshop.
  • the torque-time signal which was stored in the signal processor from the monitoring sensor, is evaluated directly.
  • the maxima are determined in the torque-time signal curve and are assigned to the individual cylinders of the internal combustion engine by counting and synchronizing with the ignition signal and by comparison with the ignition sequence of the internal combustion engine.
  • the torque maxima are compared with an expected value that should at least be reached in the cylinder.
  • the expected value can e.g. can be determined from upstream test bench tests for the series of an internal combustion engine, depending on the speed, at idle or under load and can be known and stored as a characteristic of the engine via the speed. This characteristic can e.g. be stored in the memory of the electronic process computer CPU.
  • the minimum expected expected value for the torque contribution of each individual cylinder is e.g. calculated from the measured torque-time signal by averaging over the measured torque profile. The expected value is then equal to the integral mean of the torque-time signal curve.

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Abstract

Zur kostengünstigen und genauen Messung des Antriebsmoments, das der Motor (1) über die Antriebswelle an das Getriebe und den weiteren Antriebsstrang abgibt, werden die Reaktionskräfte bestimmt, die bei der Abgabe eines Drehmomentes am Motorlager auftreten. Die Messung dieser Kräfte erfolgt durch Kraftaufnehmer (3) als Überwachungssensoren , welche für die speziellen Anforderungen wie Messbereich, Zeit-Auflösung, Kraft-Auflösung, Genauigkeit, Temperaturbereich konditioniert sind. Geeignete Kraftaufnehmer werden z.B. in der Anlagentechnik u.a. als Wägezellen hergestellt. Ihr Aufbau ist einfach und beruht in den meisten Fällen auf Dehnungsmessstreifen. Das Nutzdrehmoment eines Verbrennungsmotors wird durch die Gaskräfte bestimmt, die den Motor antreiben. Es treten an einem Verbrennungsmotor jedoch noch eine ganze Reihe anderer Kräfte auf, die die Ermittlung der Antriebskräfte stören. Dies sind Massekräfte, die aus Beschleunigungen aller Art, z.B. hervorgerufen durch Fahrzeugbeschleunigungen, durch den Strassenzustand, durch die Strassenführung, durch Bremsvorgänge oder durch Lenkbewegungen, entstehen. Es ist deshalb notwendig Auswertealgorithmen wie z.B. die Fourieranalyse mit geeigneter Frequenzfilterung, die inverse Fouriertransformation, eine Ordnungsanalyse oder eine Cepstrum Analyse einzusetzen um die durch die Massenkräfte bedingten Störungen des Nutzsignals zu erkennen und aus dem Gesamtsignal eliminieren zu können, um zutreffende Werte für das tatsächliche Drehmoment zu erhalten.

Description

DaimlerChrysler AG
Messung des Drehmomentes eines Verbrennungsmotors aus den
Lagerkräften
Die Erfindung betrifft eine Methode das Drehmoment eines Verbrennungsmotors zu messen.
Aus der JP 55-078227 ist ein Stützkraftsensor zur Messung der Auflagerkräfte eines Verbrennungsmotors bekannt. Der Stützkraftsensor befindet sich in den Auflagern des Motorblocks zwischen Motorblock und Fahrzeugchassis . In den Auflagern wird der Motorblock mittels Vibrationsabsorbern elastisch gelagert und mittels Bolzen befestigt. Der Stützkraftsensor ist als Drucksensor ausgebildet und misst den Druck im Auflager. Der Druck im Auflager wird bestimmt durch die Vorspannung der Bolzenverbindung und durch die Reaktionskräfte in den Auflagern aufgrund eines an der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors anliegenden Drehmomentes. Die Vorspannung liefert hierbei ein statisches Drucksignal, während der durch das anliegende Drehmoment im wesentlich dynamische Signalanteil mit dem Drehmoment positiv korreliert und schließlich auf das Drehmoment kalibriert werden kann. Dadurch wird eine Bestimmung des Drehmomentes aus den Auflagerkräften möglich. Die Ermittlung dynamischer Signalanteile ist mit einer Vorrichtung wie aus der JP 55-078227 nicht vorgesehen, vielmehr werden die dynamischen Anteile durch die Vibrationsabsorber, die in unmittelbarer Nachbarschaft des Stützkraftsensors ebenfalls im Auflager angeordnet sind, zum großen Teil absorbiert.
Aus der DE 19545008 AI ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung von periodisch arbeitenden Maschinen zur Früherkennung von Maschinenveränderungen, bei dem mittels eines Überwachungssensors maschinenspezifische Meßsignale er- fasst werden, die in einer Auswerteeinheit mittels einer Ord- nungsanalyse verarbeitet werden. Bei der Ordnungsanalyse werden die Meßsignale mittels Fouriertransformation in ein Spektrum aus mehreren Frequenzen umgewandelt, deren Vielfache mit den Umdrehungen der Maschine als Ordnungen bezeichnet werden. Im Fourierspektrum hat jede Ordnung eine Amplitude. Aus der Veränderung der Amplituden bestimmter Frequenzen, bzw. der Abweichung von Amplituden bestimmter Frequenzen von einem Referenzspektrum, das aus dem fehlerfreien Betrieb der Maschinen gewonnen wurde, kann auf Störungszustände und Fehl- funktionen der Maschine geschlossen werden.
Der Einsatz der Ordnungsanalyse zur Drehmomentmessung an einer Verbrennungsmaschine ist aus der DE 19545008 AI nicht bekannt. Auch arbeitet die Ordnungsanalyse aus der DE 19545008 AI mit Referenzspektren und stellt lediglich die Abweichung der aktuellen Spektren von den Normspektren fest.
Ausgehend von dem vorbenannten Stand der Technik ergibt sich folgende Situation:
Die grundlegende Verwendung von Stützkraftsensoren zur Drehmomentmessung an Motoren ist bekannt. Es ist auch bekannt die Methoden der Ordnungsanalyse auf rotierende Maschinen anzuwenden. Eine Drehmomentmessung, die so kostengünstig ist, daß sie an jedem individuellen Verbrennungsmotor installiert werden kann, und die für die Aufgabe der Leistungsüberwachung, der Motorregelung, der Zylinderdiagnose genau genug ist, steht nicht zur Verfügung. Die für diese Aufgabe und für andere Steuerungsvorgänge, z.B. die Schaltung von Getrieben, benutzten Schätzwerte des Drehmomentes stammen bisher aus Kennfeldern, die an Prüfständen ermittelt worden sind, und messen nicht die tatsächlichen Drehmoment- und Leistungswerte des individuellen Motors.
Erfindungsgemäße Aufgabe ist es daher, eine Methode zur Drehmomentmessung und zur Zylinderüberwachung vorzustellen, die mit jedem individuellen Motor anwendbar ist. Die Lösung gelingt mit einem Verfahren nach Anspruch 1 oder 13. Weitere alternative Ausführungsformen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen und der Beschreibung enthalten.
Zur kostengünstigen und genauen Messung des Antriebsmoments, das der Motor über die Antriebswelle an das Getriebe und den weiteren Antriebsstrang abgibt, werden die Reaktionskräfte bestimmt, die bei der Abgabe eines Drehmomentes am Motorlager auftreten. Die Messung dieser Kräfte erfolgt durch Kraftaufnehmer als Überwachungssensoren , . welche für die speziellen Anforderungen' wie Messbereich, Zeit-Auflösung, Kraft- Auflösung, Genauigkeit, Temperaturbereich konditioniert sind. Geeignete Kraftaufnehmer werden z.B. in der Anlagentechnik u.a. als Wägezellen hergestellt. Ihr Aufbau ist einfach und beruht in den meisten Fällen auf Dehnungsmeßstreifen. Das Nutzdrehmoment eines Verbrennungsmotors wird durch die Gaskräfte bestimmt, die den Motor antreiben. Es treten an einem Verbrennungsmotor jedoch noch eine ganze Reihe anderer Kräfte auf, die die Ermittlung der Antriebskräfte stören. Dies sind Massekräfte, die aus Beschleunigungen aller Art, z.B. hervorgerufen durch FahrZeugbeschleunigungen, durch den Straßenzustand, durch die Straßenführung, durch Bremsvorgänge oder durch Lenkbewegungen, entstehen. Es ist deshalb notwendig Auswertealgorithmen wie z.B. die Fourieranalyse mit geeigneter Frequenzfilterung oder eine Cepstrum Analyse einzusetzen um die durch die Massenkräfte bedingten Störungen des Nutz- signals zu erkennen und aus dem Gesamtsignal eliminieren zu können, um zutreffende Werte für das tatsächliche Drehmoment zu erhalten.
Mit der Erfindung werden hauptsächlich die folgenden Vorteile erzielt :
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine um Störgrößen bereinigte Drehmomentbestimmung an Verbrennungsmotoren aus den Auflagerkräften. Es stellt somit ein kostengünstiges ver- fahren zur Drehmomentbestimmung an laufenden Verbrennungsmotoren zur Verfügung, das an allen Motorenvarianten unverändert einsetzbar ist. Eingriffe in die Verbrennungsmotoren zur Anbringung von Sensoren und Signalleitungen, wie sie z.B. bei magnetostriktiven Drehmomentmessungen an Antriebswellen notwendig sind, entfallen bei der Erfindung.
Die Methoden der Signalaufbereitung durch Ordnungsanalysen, Fast Fouriertransformationen oder Ceptstrumanalysen haben sich in der Vergangenheit bewährt und können heute als preiswerte Standardmodule erworben werden.
Aus der Ordnungsanalyse ergeben sich Frequenzspektren mit Hauptmaxima an ganzzahligen Vielfachen der jeweiligen Motorordnung. Die Amplitude der nullten Motorordnung ist hierbei ein Maß für das aktuelle Drehmoment der laufenden Maschine.
Im störungsfreien Betrieb eines Verbrennungsmotors sollten alle für den Betrieb des Verbrennungsmotors wesentlichen Vorgänge wie Zündung oder Gaswechsel auf die Umdrehung der Kurbelwelle abgestimmt sein. Ein Maß für die Güte dieser Abstimmung ist hierbei die Amplitude und die Halbwertsbreite des Hauptmaxima an der ersten Motorordnung. Die Amplitude sollte möglichst groß sein und die Halbwertsbreite möglichst klein.
Maxima im FrequenzSpektrum an nicht ganzzahligen Vielfachen der Motorordnung, weisen auf nicht mit der Kurbelwelle synchronisierte Vorgänge im Verbrennungsmotor hin. Dies sind in der Regel Störungen oder Fehlfunktionen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann deshalb zusätzlich zur Erkennung von Fehlfunktionen eingesetzt werden. Ein Maxima im Frequenzspektrum an der halben Motorordnung deutet zum Beispiel bei einem Verbrennungsmotor auf eine Fehlzündung oder auf einen fehlerhaften Gaswechsel, durch fehlerhaftes Öffnen oder fehlerhaftes Schließen der Ventile hin. Durch Hinzuziehen der Zündfolge und der Zündzeitpunkte und durch Korrelation entweder des Original Zeitsignals oder des durch ein per Cepstrum Analyse gewonnenen Zeitsignals, also aus dem logarithmisierten Fourierspektrum vom Frequenzraum in den Zeitraum rücktransformierten Signals,, gelingt eine Zylinderdiagnose für jeden einzelnen Zylinder des Verbrennungsmotors .
Ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird die Erfindung im folgenden an hand eines Ausführungsbeispiels beschrieben.
Dabei zeigen:
Fig. 1 Eine Prinzipskizze mit den wichtigsten Elementen, die zur Durchführung der Erfindung benötigt werden; Fig. 2 Eine Messdiagramm eines fehlerfrei arbeitenden 6-
Zylinder Verbrennungsmotors; Fig. 3 Ein Messdiagramm eines β-Zylinder Verbrennungsmotors mit einer Störung im 2. Zylinder; Fig. 4 Ein Messdiagramm eines β-Zylinder Verbrennungsmotors mit einer Störung im 5. Zylinder. Fig. 5 Eine Prinzipskizze mit den wichtigsten Elementen, zur
Durchführung eines vereinf chten erfindungsgemäßen
Verfahrens
Das Ausführungsbeispiel der Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung einen Verbrennungsmotor 1, der in mindestens zwei Auflagern 2a, 2b z.B. am Chassis eines Kraftfahrzeuges verbunden ist. In den Auflagern zwischen motorseitigem Befestigung und Chassis ist jeweils ein Druck-Spannungswandler 3 als Stützkraftsensor angebracht, der die Lagerkräfte aufnimmt, mit denen der Motor gegen das Chassis in Folge des Antriebs- momentes des Motors abgestützt wird. Das Antriebsmoment an der Kurbelwelle 4 ist durch einen Pfeil 5 symbolisiert. An der Kurbelwelle ist ein Drehzahl-Spannungswandler 6 in Form eines Kurbelwellensensors angeordnet .
Die SpannungsSignale der Stützkraftsensoren werden mit einer Signalaufbereitung 71 erfasst und bearbeitet . Vorzugsweise werden dabei die beiden Signale in Differenzschaltung zueinander geschaltet, so daß sich gleichsinnige Signalanteile , die z.B. durch das Motorgewicht hervorgerufen werden, heraus- mitteln und sich gegensinnige Signalanteile, die besonders durch das an der Kurbelwelle anliegende Drehmoment hervorgerufen werden, verstärken. Das aufbereitete Signal der beiden Stützkraftsensoren wird digitalisiert und kann alternativ durch ein variables, digitales Frequenzfilter weiter bearbeitet werden. Dies kann insbesondere dann sinnvoll sein, wenn wie in der realen Technik häufig üblich, lediglich eine endliche Anzahl von Frequenzen betrachtet werden soll. Dann bietet sich z.B. ein Tiefpassfilter an, das hochfrequente Signalanteile ausfiltert. Will man gezielte Störfrequenzen, deren Ursache man kennt herausfiltern bietet sich an, mittels Bandfiltern diese Störfrequenzen gezielt herauszufiltern.
Nach dem alternativen Filter wird das aufbereitete Differenzsignal der beiden Stützlastsensoren mit einem Signalprozessor 9 weiterverarbeitet. Der Signalprozessor kann z.B. ein digitales Oszilloskop sein. Das Signal des Drehmomentsensors wird ebenfalls in den Signalprozessor eingespeist. In dem Signalprozessor wird der Signalverlauf des Differenzsignals in seiner zeitlichen Abfolge festgehalten und mit dem Signal des Kurbelwellensensors und dem Zündsignal des Zündverteilers o- der Zündgebers 10 synchronisiert. Die synchronisierten Zeitverläufe aus Differenzsignal, Zündsignal und Kurbelwellensignal werden in einer Speichereinheit RAM festgehalten und abgespeichert .
Über Schnittstellen 11 können die im RAM des Signalprozessors abgespeicherten Zeitdiagramme ausgelesen werden und mit wei- teren elektronischen Prozessrechnern CPU sowie mit auf diesen weiteren Prozessrechnern laufenden Datenverarbeitungsprogrammen weiterverarbeitet und analysiert werden. Die weiteren e- lektronischen Prozessrechner können z.B. in einer Werkstatt in Form eines Personalcomputers, in Form eines zentralen Diagnoserechners in einer Remote-Diagnosezentrale, in Form eines im Fahrzeug integrierten Bordrechners oder zusammen mit dem Signalprozessor einteilig ausgebildet sein.
In dem weiteren Prozessrechner wird das zeitliche Differenzsignal der beiden Stützkraftsensoren mittels Fast- Fouriertransformation FFT in sein Frequenzspektrum transformiert . Das Frequenzspektrum seinerseits kann durch entweder durch gezieltes ausblenden einzelner Störfrequenzen, oder durch Logarithmisieren des Fourierspektrums log (FFT) weiterverarbeitet werden. Insbesondere das Logarithmisieren ist im Zusammenhang mit einer späteren Rücktransformation in den Zeitraum von großer Bedeutung und unter dem Begriff Cepstrum Analyse oder einfach nur Cepstrum zu einem bekannten Verfahren der Datenverarbeitung im technischen Bereich geworden. Das Logarithmisieren bietet den Vorteil, daß höhere Ordnungen der OberSchwingungen, die durch die Fouriertransformation erzeugt wurden, und die in der Regel keine originäre, technische Ursache haben herausfallen und so bei der Rücktransformation InvFFT ein von hochfrequenten Störimpulsen und von Reflexionssignalen bereinigtes Zeitsignal des DrehmomentVerlaufs in Bezug auf eine Zeitachse und synchronisiert mit dem Zündsignal sowie synchronisiert mit dem Kurbelwellensignal gewonnen wird. Dieses Cepstrum kann auf herkömmlichen Ausgabegeräten 11 in graphischer Form visualisiert und ausgegeben werden.
Plots einer solchen Ausgabe sind in den Fig. 2, Fig. 3 und Fig. 4 enthalten.
Fig. 2 zeigt einen Plot aufgenommen an einem störungsfrei arbeitenden 6 Zylinder Reihenmotor. Das obere Diagramm zeigt den rücktransformierten Drehmomentverlauf an der Kurbelwelle. Aufgetragen ist der Drehmomentverlauf über der Zeit. Die Zeitachse ist synchronisiert mit dem OT-Signal, für Oberer Totpunkt, des Kurbelwellensensors und mit dem Zündsignal für den ersten Zylinder. In das Drehmoment Diagramm sind ferner die Zündfolge des verwendeten 6-Zylinder Reihenmotors eingetragen, der mit der Zündfolge 1,5,3,6,2,4 gezündet wird. Anhand des synchronisierten Zündsignals des ersten Zylinders lassen sich die einzelnen Drehmomentausschlage den verschiedenen Zylindern zuordnen. Im unteren Diagramm des Plots ist die überarbeitete Fourieranalyse des ursprünglichen Differenzsignals aus den beiden Stützkraftsensoren aufgetragen. Das Fourierspektrum wurde im höher frequente Ordnungen, die größer als die 4. Motorordnung sind bereinigt. Aus dem bereinigten Fourierspektrum wurde durch Rücktransformation der Drehmomentverlauf des oberen Diagramms der Fig. 1 gewonnen. Der aktuelle Mittelwert des Drehmoment ergibt sich durch Mittelwertbildung des zeitlichen Drehmomentverlaufs. Der Mittelwert des Drehmoment ist im Diagramm als strichpunktierte Linie eingetragen, und liegt bei dem aufgezeichneten Versuch bei 9 Nrn.
Das Fourierspektrum wurde über der Motorordnung aufgetragen, also dem ganzzahligen Vielfachen einer kompletten Umdrehung der Kurbelwelle. Bei einem 6- Zylinder Motor entspricht die erste Motorordnung einem Drittel der Erregerfrequenz also, derjenigen Frequenz, mit der die Kurbelwelle angeregt wird. Bei einem 6 Zylinder Viertakt Motor sind dies 3 Zündvorgänge pro Umdrehung der Kurbelwelle. Damit ist die erste Motorordnung bei einem 6-Zylinder Viertakt Motor ein Drittel der Erregerfrequenz. Die Amplitude der nullten Motorordnung im Fourierspektrum entspricht dann dem mittleren Drehmoment an der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors. Die Amplitude der dritten Motorordnung ist ein Maß für die Summe der Gaskräfte die mit einem Drittel der Kurbelwellendrehzahl periodisch auf die Kurbelwelle einwirken. Das sind bei einem 6 Zylinder Viertakt Motor insbesondere drei Zündvorgänge pro Umdrehung. Die Höhe der Amplitude der dritten Motorordnung ist daher ein Maß dafür, wie viele periodische Vorgänge mit einer Periode von einem Drittel der Kurbelwellenumdrehung an der Kurbelwelle stattfinden.
Diese Zusammenhänge werden nun bei der Erfindung genutzt um einerseits eine Drehmomentbestimmung durchzuführen und um zweitens den störungsfreien Betrieb des Verbrennungsmotors zu überwachen.
Die Drehmomentbestimmung erfolgt hierbei durch Mittelwertbildung des rücktransformierten Drehmomentverlaufs der um höhere Motorordnungen, insbesondere Motorordnungen größer 20, bereinigten Fourierspektren des ursprünglichen Stützkraftsensors, für den Fall das nur ein Stützkraftsensor verwendet wird, o- der aus dem bereinigten Fourierspektrum des ursprünglichen Differenzsignals von zwei Stützkraftsensoren, wenn zwei Stützkraftsensoren verwendet werden, die in geeigneter Weise in Differenzschaltung zueinander geschaltet sind.
Alternativ kann die DrehmomentbeStimmung auch durch Kalibrierung der Amplitude der nullten Motorordnung im Fourierspektrum erfolgen. Die nullte Motorordnung des Fou- rierspektrums enthält auch den Mittelwert der ursprünglichen Messsignale.
Figur 3 zeigt den Plot eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahrens gewonnen Messprotokolls an einem 6 Zylinder Viertakt Motor mit einer Störung im zweiten Zylinder. In dem aufgezeichneten Beispiel zündet der zweite Zylinder nicht. Das Beispiel der Figur 3 und Zusammenschau mit der Figur 2 verdeutlicht, die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Motordiagnose. Periodisch auftretende Störungen die bei jeder zweiten Umdrehung der Kurbelwelle auftreten, wie dies z.B. Zündaussetzer oder GaswechselStörungen beim Viertaktmotor sind, zeigen sich im Fourierspektrum durch das Auftreten einer Amplitude in der halben Motorordnung. In Figur 3 wurde der Verbrennungsmotor im Leerkauf ohne Last bei 765 U/min mit einer Erregerfrequenz von 38,25 Hz betrieben. Die erste Motorordnung liegt dann bei 13 Hz. In dem Fourierspektrum sieht man im Unterschied zu dem Fourierspektrum der Fig. 2 das Auftreten der halben Motorordnung bei 6,5 Hz und deren 0- berschwingungen. Eine Rücktransformation des Fourierspektrums in den Zeitraum ergibt den Drehmomentverlauf im oberen Teil des Plots. Durch Synchronisation des Drehmomentverlauf mit der Zündfolge für den ersten Zylinder und durch Abzählen der Zündfolge 1,5,3,6,2,4 wird der Fehler lokalisiert. In dem aufgezeigten Beispiel hat der Drehmomentverlauf des zweiten Zylinder keinen positiven Beitrag, d.h. er leistet keine positiven Beitrag zu einem Antriebsarbeit. Die Absenkung des sechsten Zylinders ist durch die Rücktransformation aufgrund des fehlenden Ausschlages am zweiten Zylinder bedingt.
Figur '4 zeigt nochmals einen zweiten Plot, der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren an einem 6 Zylinder Motor mit Zündaussetzern am 5 Zylinder aufgenommen wurde. Wieder treten die Störungen im Fourierspektrum durch das Anwachsen der Amplitude an der halben Motorordnung zu Tage. Die Rücktransformation des Fourierspektrums in den Zeitraum ergibt den Drehmoment- verlauf, in dem durch Synchronisation des Drehmomentverlaufs mit dem Zündsignal und durch Berücksichtung der Zündfolge 1,5,3,6,2,4 durch Abzählen der Maxima beginnend mit dem auf den Zündimpuls folgenden ersten Peak für den ersten Zylinder, die Nummer des gestörten Zylinders festgestellt wird, als der derjenige Zylinder dessen Signal nicht den erwarteten Wert hat, bzw. dessen Signal fehlt. In dem Beispiel der Figur 4 ist dies der fünfte Zylinder.
Als allgemeine Regel für Viertaktmotoren ergibt sich, daß Störungen , die mit dem Arbeitsverfahren eines Viertaktmotors zusammenhängen, periodisch bei jeder zweiten Umdrehung der Kurbelwelle auftreten. Durch Fourieranalyse des Signals eines Überwachungssensors am Motorblock, durch Ausblenden höherer Motorordnungen, insbesondere durch Ausblenden von Motorord- nungen größer 4, und durch anschließende Rücktransformation des bereinigten Fourierspektrums in den Zeitraum lassen sich Störungen im Arbeitsverfahren des Viertaktmotors auf den die Störung verursachenden Zylinder lokalisieren, indem im Fourierspektrum das Anwachsen der Amplitude in der halben Motorordnung festgestellt wird, als Maß für das Auftreten einer Störung und indem der rücktransformierte Drehmomentverlauf mit dem Zündsignal synchronisiert wird und durch Vergleich mit der Zündfolge des Verbrennungsmotors die Drehmomentmaxima des Drehmomentverlaufs den einzelnen Zylindern des Verbrennungsmotors zugeordnet werden und die Abweichung des Drehmomentverlaufs eines Zylinders von dem Erwartungswert für diesen Zylinder eine Störung in diesem Zylinder anzeigt. Außerdem wird durch Mittelwertbildung aus dem Drehmomentverlauf o- der aus der nullten Motorordnung das an der Kurbelwelle anliegende Motordrehmoment errechnet.
Für Zweitakt Motoren fallen Störungen, die mit dem ordnungsgemäßen Betrieb hauptsächlich in Verbindung stehen, wie Gaswechsel und Zündung bei jeder Kurbelwellenumdrehung einmal an. Störungen im ordnungsgemäßen Betrieb eines Zweitaktmotors treten daher in der ersten Motorordnung auf . Das Anwachsen der Amplitude in der ersten Motorordnung im Fourierspektrum ist bei Zweitaktmotoren deshalb ein Hinweis für eine Störung.
Das zuvor beschriebene Verfahren läuft hierbei Computergestützt ab. Sämtliche Prozeßschritte laufen automatisiert auf einem Rechner ab, in dem Software Applikationen die bezeichneten Prozeßschritte durchführen. Als Ausgabe wird in einer Ausführungsform beispielsweise ein Plot wie er in den Figuren 2 bis 4 exemplarische gezeigt ist. Diese Ausgabeform wendet sich hauptsächlich an einen Diagnosetechniker.
Für den Fahrzeugführer ist eine wesentlich vereinfachte Ausgabe in Form eines Hinweises auf einem Display im Fahrzeug vorgesehen. Nachdem das Diagnosesystem eine Störung nach Durchlaufen der zuvor bezeichneten Prozeßschritte festge- stellt hat, wird dem Fahrzeugführung eine Störung angezeigt, z.B. in der Form „Störung im 2. Zylinder, bitte Werkstatt aufsuchen.
In einer einfacheren Ausführungsform der Erfindung entsprechend der Fig. 5, wird das Drehmoment-Zeitsignal, das aus dem Überwachungssensor in dem Signalprozessor abgespeichert wurde, direkt ausgewertet. Hierzu werden die Maxima in dem Drehmoment-Zeitsignal Verlauf bestimmt , und durch Abzählen und Synchronisieren mit dem Zündsignal sowie durch Abgleich mit der Zündfolge des Verbrennungsmotors den einzelnen Zylindern des Verbrennungsmotors zugeordnet . Im nächsten Schritt werden die Drehmomentmaxima mit einem Erwatungswert verglichen, der in dem Zylinder mindestens erreicht werden sollte. Der Erwartungswert kann z.B. aus vorgelagerten Prüfstandversuchen für die Baureihe eines Verbrennungsmotors drehzahlabhängig im Leerlauf oder unter Last ermittelt werden und über der Drehzahl als Kennlinie des Motors bekannt und abgespeichert sein. Diese Kennlinie kann z.B. im Speicher des elektronischen Prozessrechners CPU abgespeichert sein. Durch Vergleich des abgespeicherten Wertes aus der Kennlinie mit dem Maxima des gemessenen Drehmoment-Zeitsignals wird in dem elektronischen Prozessrechner festgestellt, ob alle Zylinder den erwarteten Beitrag zum Gesamtdrehmoment liefern oder nicht. Fehlt der Beitrag eines Zylinders, weil dessen zugeordnetes Drehmomentmaxima aus dem Drehmoment-Zeitsignal zu gering ausfällt, wird in der Ausgabe des Prozessrechners für diesen Zylinder ein Hinweis einer Störung ausgegeben.
In einer alternativen Ausführungsform, die ohne abgespeicherte Kennlinien für den drehzahlabhängigen Erwartungswert auskommt, wird der mindest zu erwartende Erwartungswert für den Drehmomentbeitrag eines jeden einzelnen Zylinders z.B. aus dem gemessenen Drehmoment-Zeitsignal durch Mittelwertbildung über das gemessene Drehmoment-Profil errechnet. Der Erwartungswert ist dann gleich dem integralen Mittelwert des Drehmoment-Zeitsignal Verlaufs.

Claims

DaimlerChrysler AGPatentansprüche
Verfahren zur Bestimmung des Drehmomentes eines Verbrennungsmotors (1) mit
- mindestens einem Überwachungssensor (3) zur Messung des Drehmomentes des Verbrennungsmotors,
- einem Drehzahlsensor (6) zur Synchronisation der Zündsignale mit den Umdrehungen der Kurbelwelle,
- eine Zündgeber (10) zur Zündung des Gasgemisches in den Zylindern des Verbrennungsmotors,
- einem Signalprozessor (9) zu Erfassung und Abspeicherung der Meßsignale aus dem Überwachungssensor (3) , dem Drehzahlsensor (9) und dem Zündsignal des Zündgebers (10) ,
- einer Recheneinheit (CPU) zur Auswertung der Prozeßdaten aus Überwachungssensor (3) , Drehzahlsensor (6) und Zündgeber (10), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- in einem ersten Verfahrenschritt das Zeitsignal des Überwachungssensors (3) einer Fouriertransformation (FFT) unterzogen wird und in dem daraus resultierenden Fourierspektrum die Frequenzen höherer Motorordnungen gedämpft oder herausgefiltert (log (FFT) werden, um ein bereinigtes Fourierspektrum zum erhalten,
- in einem weiteren Verfahrensschritt das bereinigte Fourierspektrum in den Zeitraum in einen Drehmomentverlauf zurücktransformiert wird (INV FFT) und mit einem Zündsignal mindestens eines VerbrennungsZylinders synchronisiert wird,
- in einem weiteren Verfahrensschritt durch Mittelwertbildung des rücktransformierten Drehmomentverlaufs das an der Kurbelwelle anliegende mittlere Drehmoment bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass in einem weiteren Verfahrenschritt durch eine Ordnungsanalyse des Fourierspektrums festgestellt wird im Fourierspektrum an der halben Motorordnung eine signifikante Amplitude vorhanden ist
-und in einem weiteren Verfahrenschritt festgestellt wird, welches Drehmomentsignal welches Zylinders von einem Erwartungswert signifikant abweicht.
3. Verfahren nach Anspruch 2 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass in einem weiteren Verfahrenschritt in einer Ausgabeeinheit (11) ein Plot ausgegeben wird, der in graphischer Darstellung das bereinigte Fourierspektrum, das Zündsignal mindestens eines Zylinders, die Zündfolge des Verbrennungsmotors und den rücktransformierten Drehmomentverlauf, synchronisiert mit dem Zündsignal eines Zylinders, enthält.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Fourierspektrum durch logarithmisieren bereinigt wird und eine Cepstrumanalyse durchgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Signal des Überwachungssensors (3) vor Einspeisung in den Signalprozessor durch einen Frequenzfilter gefiltert wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als Überwachungssensor (3) ein Stützkraftsensor eingesetzt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als Überwachungssensor (3) zwei Stützkraftsensoren in Differenzschaltung eingesetzt werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Recheneinheit (CPU) zur Auswertung der Prozeßdaten mit dem Signalprozessor (9) einteilig ausgebildet ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass, die Recheneinheit (CPU) zur Auswertung der Prozeßdaten von dem Signalprozessor (9) separiert ist und mit dem Signalprozessor verbindbar ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine Störung des Verbrennungsmotors (1) angezeigt wird.
11. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 2 bis 10 zur Diagnose von Störungen in einem Verbrennungsmotor (1) •
12. Verwendung des Verfahren nach Anspruch 11, zur Lokalisierung der Störung in einem Verbrennungsmotor (1) .
13. Verfahren zur Bestimmung des Drehmomentes eines Verbrennungsmotors (1) mit
- mindestens einem Überwachungssensor (3) zur Messung des Drehmomentes des Verbrennungsmotors,
- einem Drehzahlsensor (6) zur Synchronisation der Zündsignale mit den Umdrehungen der Kurbelwelle,
- einem Zündgeber (10) zur Zündung des Gasgemisches in den Zylindern des Verbrennungsmotors,
- einem Signalprozessor (9) zu Erfassung und Abspeicherung der Meßsignale aus dem Überwachungssensor (3) , dem Drehzahlsensor (9) und dem Zündsignal des Zündgebers (10) , - einer Recheneinheit (CPU) zur Auswertung der Prozeßdaten aus Überwachungssensor (3), Drehzahlsensor (6) und Zündgeber (10) , d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass in einem ersten Verfahrensschritt das Drehmoment-Zeitsignal des Überwachungssensors (3) mit dem Zeitsignal des Uberwachungssensors synchronisiert wird, und in einem' weiteren Verfahrensschritt die relativen Drehmoment Maxima des Drehmoment-ZeitSignals mit Hilfe der Zündfolge des Verbrennungsmotors den einzelnen- Zylindern zugeordnet werden und jeweils mit einem Erwartungswert verglichen werden und bei Unterschreiten des Erwartungswertes ein Hinweis auf eine Störung in demjenigen Zylinder, dessen Drehmoment den Erwartungswert nicht erreicht, gegeben wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß es durchgeführt wird, während sich der Verbrennungsmotor im Leerlauf befindet .
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Signal des Überwachungssensors (3) vor Einspeisung in den Signalprozessor durch einen Frequenzfilter gefiltert wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als Überwachungssensor (3) ein Stützkraftsensor eingesetzt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als Überwachungssensor (3) zwei Stützkraftsensoren in Differenzschaltung eingesetzt werden.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Recheneinheit (CPU) zur Auswertung der Prozeßdaten mit dem Signalprozessor (9) einteilig ausgebildet ist.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass, die Recheneinheit (CPU) zur Auswertung der Prozeßdaten von dem Signalprozessor (9) separiert ist und mit dem Signalprozessor verbindbar ist.
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