DE19531845A1 - Verbrennungsaussetzererkennungsverfahren - Google Patents
VerbrennungsaussetzererkennungsverfahrenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung von Ver
brennungsaussetzern bei Verbrennungsmotoren, bspw. bei
Kraftfahrzeugen.
Verbrennungsaussetzer führen zu einem Anstieg der im Betrieb
des Verbrennungsmotors emittierten Schadstoffe und können
darüberhinaus zu einer Schädigung eines Katalysators im Ab
gastrakt des Motors führen. Zur Erfüllung gesetzgeberischer
Forderungen zur On-Board-Überwachung abgasrelevanter Funk
tionen ist eine Erkennung von Verbrennungsaussetzern im ge
samten Drehzahl- und Lastbereich notwendig. In diesem Zusam
menhang ist es bekannt, daß beim Betrieb mit Verbrennungs
aussetzern charakteristische Änderungen des Drehzahlverlaufs
des Verbrennungsmotors gegenüber dem Normalbetrieb ohne Aus
setzer auftreten. Durch den Vergleich dieser Drehzahlverläu
fe kann zwischen Normalbetrieb ohne Aussetzer und Betrieb
mit Aussetzern unterschieden werden.
Ein Erkennungssystem für Verbrennungsaussetzer besteht aus
den Funktionsblöcken Sensorik, Signalverarbeitung und
Merkmalsextraktion sowie Klassifikation. Die Sensorik erfaßt
bspw. Segmentzeiten, d. h. Zeiten in denen die Kurbelwelle
einen vorbestimmten Drehwinkelbereich überstreicht. Im Block
Merkmalextraktion werden aus den Segmentzeiten
Merkmalsignale gebildet, aus denen im nachfolgenden
Klassifikationsblock Verbrennungsaussetzer bspw. durch
Schwellwertvergleiche oder auch durch Anwendung neuronaler
Netze oder anderer bekannter Methoden erkannt werden.
Ein auf der Basis von Schwellwertvergleichen arbeitendes
System ist bereits aus der DE-OS 41 38 765 bekannt.
Nach diesem bekannten Verfahren werden die Segmente bspw.
durch Markierungen auf einem mit der Kurbelwelle gekoppelten
Geberrad realisiert. Die Segmentzeit, in der die Kurbelwelle
diesen Winkelbereich überstreicht, hängt unter anderem von
der im Verbrennungstakt umgesetzten Energie ab. Aussetzer
führen zu einem Anstieg der zündungssynchron erfaßten
Segmentzeiten. Nach dem bekannten Verfahren wird aus
Differenzen von Segmentzeiten ein Maß für die Laufunruhe des
Motors berechnet, wobei zusätzlich langsame dynamische
Vorgänge, zum Beispiel der Anstieg der Motordrehzahl bei ei
ner Fahrzeugbeschleunigung, rechnerisch kompensiert werden.
Ein auf diese Weise für jede Zündung berechneter Laufunruhe
wert wird ebenfalls zündungssynchron mit einem vorbestimmten
Schwellwert verglichen. Ein Überschreiten dieses gegebenen
falls von Betriebsparametern wie Last und Drehzahl
abhängigen Schwellwerts wird als Aussetzer gewertet. Dieses
Verfahren basiert damit letztlich auf der Merkmalextraktion
im Zeitbereich.
Aus der US 5 200 899 und der US 5 239 473 sind weitere
Verfahren bekannt, die zur Merkmalextraktion die
Transformation von Drehzahlsignalen in den Frequenzbereich
mittels diskreter Fouriertransformationen nutzen. Die
Darstellung der Ergebnisse läßt eine blockweise Anwendung
der Transformation auf die Drehzahlsignale erkennen, wobei
ein Block bspw. aus m während einer Nockenwellenumdrehung
ermittelten Drehzahlsignalen gebildet werden könnte. Damit
werden jedoch Einzelaussetzer nicht optimal aufgelöst. Führt
man dagegen die Transformation gleitend durch, d. h.
verschiebt man den Auswerteblock aus m Drehzahlsignalen
jeweils um weniger als eine Nockenwellenumdrehung, so
ergeben sich Nachteile in der Erkennung von Daueraussetzern.
Die Sicherheit, mit der Aussetzer nach den bekannten
Verfahren erkannt werden können, sinkt naturgemäß umso
weiter ab, je weniger sich einzelne Aussetzer auf die
Drehzahl der Kurbelwelle auswirken. Sie sinkt daher mit
steigender Zahl der Zylinder der Brennkraftmaschine und mit
zunehmender Drehzahl sowie abnehmender Last ab.
Eine geringe Erkennungssicherheit erhöht das
Fehlerkennungsrisiko. Darüber hinaus wird der
Applikationsaufwand zur Anpassung des Verfahrens an
unterschiedliche Betriebszustände größer.
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung
darin, ein Verfahren anzugeben, das die Sicherheit der Aus
setzerkennung bei Brennkraftmaschinen mit hoher Zylinder
zahl auch bei hohen Drehzahlen und geringen Lasten weiter
verbessert.
Diese Aufgabe wird mit der Merkmalskombination des Anspruchs
1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand
der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung betrifft die Signalverarbeitung und
Merkmalextraktion. Ihr Kern besteht darin, das von der
Sensorik gelieferte Signal sowohl einem Modulationsprozeß
als auch einer Filterung zu unterziehen. Zur Modulation wird
zunächst ein zur Drehbewegung der Nockenwelle
phasensynchrones periodisches Signal erzeugt und dessen
Parameter werden anschließend durch das von der Sensorik
gelieferte und ggf. bereits aufbereitete Signal beeinflußt.
Die Reihenfolge von Modulation und Filterung ist bei der
Erfindung austauschbar. Besonders vorteilhaft ist jedoch
eine Realisierung mit Filterung nach vorangegangener
Modulation.
Da das erfindungsgemäß verwendete Signal eine zur
Drehbewegung der Nockenwelle synchrone Phasenlage besitzt,
enthält das modulierte Signal ebenfalls eine
nockenwellensynchrone Phasenlage. Dadurch wird die Zuordnung
von erkannten Verbrennungsaussetzern zu dem jeweils
betroffenen Zylinder ermöglicht.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in der folgenden
Beschreibung mit Bezug auf die Figuren erläutert.
Im einzelnen zeigt Fig. 1 das technische Umfeld der Erfin
dung. Fig. 2 stellt einen zur Durchführung des erfindungsge
mäßen Verfahrens geeigneten Rechner dar. Fig. 3 verdeut
licht das bekannte Prinzip der Bildung von Segmentzeiten als
Basis eines Maßes für die Laufunruhe auf der Basis von Dreh
zahlmessungen. Fig. 4 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel
der Erfindung in Funktionsblockdarstellung. Fig. 5
veranschaulicht die Auswirkung von Aussetzern in der
Frequenzbereichsdarstellung. Fig. 6 zeigt Signalverläufe, wie
sie bei einer Realisierung der Erfindung auftreten. Fig. 7
stellt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung dar.
Fig. 1 zeigt eine Brennkraftmaschine 1 mit einer Sensorik
aus einem Winkelgeberrad 2, das Markierungen 3 trägt, und
einem Winkelsensor 4 sowie einen die Merkmalextraktion
symbolisierenden Block 5, einen die Klassifikation
symbolisierenden Block 6 und ein Mittel 7 zum Anzeigen des
Auftretens von Verbrennungsaussetzern. Die Drehbewegung des
mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine gekoppelten
Winkelgeberrades wird mit Hilfe des als Induktivsensor
realisierten Winkelsensors 4 in ein elektrisches Signal
umgewandelt, dessen Periodizität ein Abbild des periodischen
Vorbeistreichens der Markierungen 3 am Winkelsensor 4
darstellt. Die Zeitdauer zwischen einem Anstieg und einem
Abfall des Signalpegels entspricht daher der Zeit, in der
sich die Kurbelwelle über einen dem Ausmaß einer Markierung
entsprechenden Winkelbereich weitergedreht hat.
Die Segmentzeiten werden in den folgenden Stufen
weiterverarbeitet.
Der dazu verwendete Rechner kann bspw. so aufgebaut sein,
wie in Fig. 2 dargestellt. Danach vermittelt eine Re
cheneinheit 2.1 zwischen einem Eingabeblock 2.2 und einem
Ausgabeblock 2.3 unter Verwendung von in einem Speicher 2.4
abgelegten Programmen und Daten.
Die Fig. 3a zeigt eine Einteilung des Winkelgeberrades in
vier Segmente, wobei jedes Segment eine vorbestimmte Zahl
von Markierungen aufweist. Die Markierung OTk ist demjenigen
oberen Totpunkt der Kolbenbewegung des k-ten Zylinders eines
in diesem Beispiel achtzylindrigen Verbrennungsmotors
(z=8) zugeordnet, der im Verbrennungstakt dieses Zylinders
liegt. Um diesen Punkt herum ist ein Drehwinkelbereich wk
definiert, der sich in diesem Beispiel über ein Viertel der
Markierungen des Winkelgeberrades erstreckt. Analog sind den
Verbrennungstakten der übrigen Zylinder Winkelbereiche w1
bis w8 zugeordnet, wobei hier vom Viertaktprinzip
ausgegangen wird, bei dem sich die Kurbelwelle für einen
vollständigen Arbeitszyklus zweimal dreht. Daher entspricht
beispielsweise der Bereich w1 des ersten Zylinders dem
Bereich w5 des fünften Zylinders usw. Die Lage und Länge der
Segmente kann anwendungsspezifisch verändert werden. So sind
auch sich überlappende Segmente, mehr als z Segmente pro
Nockenwellenumdrehung bzw. unterschiedliche Lagen der
Segmente zu den oberen Totpunkten der Zylinder möglich. Die
Verwendung eines Segmentzeitsignals als Eingangssignal für
die Merkmalextraktionsstufe ist daher vorteilhaft, weil es in
einer Motorsteuerung aus bereits vorhandenen Signalen
berechnet werden kann. Mechanische Toleranzen des
Winkelgeberrades lassen sich, wie aus der US 5 263 365
bekannt ist, rechnerisch ausgleichen.
Statt der Segmentzeiten kann als Eingangssignal auch der
einzelnen Kurbelwellenwinkelbereichen zugeordnete mittlere
Drehzahlverlauf genutzt werden.
Beispielhaft wird für die folgenden Ausführungen die oben
eingeführte Teilung mit z Segmenten pro
Nockenwellenumdrehung genutzt.
Weitere Eingangssignale der Merkmalsextraktionsstufe sind
Motordrehzahl n, Last t1, Temperatur T und ein Signal b zur
Identifikation des ersten Zylinders.
In der Fig. 3b sind die Zeiten ts aufgetragen, in denen die
Winkelbereiche durch die Drehbewegung der Kurbelwelle über
strichen werden. Dabei ist ein Aussetzer im Zylinder k ange
nommen. Der mit dem Aussetzer verbundene Drehmomentausfall
führt zu einem Anstieg der zugehörigen Zeitspanne ts. Die
Zeitspannen ts stellen damit bereits ein Maß für die Laufun
ruhe dar, das prinzipiell zur Erkennung von Aussetzern ge
eignet ist.
Fig. 3c verdeutlicht den Einfluß von Drehzahländerungen auf
die Erfassung der Zeitdauern ts. Dargestellt ist der Fall
einer Drehzahlabnahme, wie sie typischerweise im Schiebebe
trieb eines Kraftfahrzeuges auftritt. Zur Kompensation die
ses Effektes, der sich in einer verhältnismäßig gleichförmi
gen Verlängerung der erfaßten Zeiten ts äußert, ist es bei
spielsweise bekannt, einen Korrekturterm D zur Dynamikkom
pensation zu bilden und so bei der Berechnung des Laufunru
hewertes zu berücksichtigen, daß der Verlängerungseffekt
kompensiert wird.
Die Fig. 4 zeigt den Block 5 aus Fig. 1 in detaillierterer
Form. Der Block 4.1 stellt eine mit der Nockenwelle synchron
laufende Winkeluhr dar. Diesem Block wird ein
Identifikationssignal b zugeführt, das einen speziellen
Zylinder, bspw den ersten, identifiziert. Der Block 4.1
erzeugt ein zur Nockenwellendrehung phasensynchrones
periodisches Signal ϕ(n). Dabei numeriert n die Zündungen.
Ein Bsp. eines solchen Signals ist die sägezahnartige
Winkelfunktion
wobei z der Zahl der Zylinder entspricht und k die Ordnung,
d. h. die Zahl der Schwingungsperioden pro
Nockenwellenumdrehung angibt. Die gewählte Ordnung bestimmt
die Signalanteile, die zur Auswertung genutzt werden.
Daueraussetzer in einem Zylinder treten bspw. ebenfalls mit
der Ordnung 1 auf, da sie sich nach jeweils einer
Nockenwellenumdrehung wiederholen. Die folgenden
Ausführungen beziehen sich auf die Ordnung k=1.
Für einen 4-Zylindermotor (z=4) ist die Ausgangsgröße ϕ(n)
des Blocks 4.1 für n=0 bis 12 in Fig. 4a dargestellt. Aus
dem Ausgangssignal des Blocks 4.1 erzeugt Block 4.2 als
Phasengenerator die zur Drehbewegung der Nockenwelle
phasensynchrone periodische Schwingung, bspw als komplexe
Exponentialfunktion e-j· ϕ (n). Diese Schwingung wird im Block
4.5 multiplikativ mit Segmentzeiten ts′′(n) verknüpft. Die an
den Block 4.5 gelieferten Segmentzeiten können bereits
aufbereitet sein, wie es durch die Blöcke 4.3 und 4.4
angedeutet wird. Dabei symbolisiert der Block 4.3 eine
Geberadaption und der Block 4.4 eine Dynamikkorrektur.
Beide Blöcke können abhängig von der Last t1 und der Drehzahl
m des Motors arbeiten. Sie werden vorteilhafterweise bei
einer Anwendung der Erfindung benutzt. Die Erfindung kann
jedoch prinzipiell auch ohne diese Blöcke arbeiten, bspw.
dann, wenn die Geberadsignale auch ohne Korrektur
hinreichend genau sind und die Brennkraftmaschine in
stationären Betriebspunkten betrieben wird. Eine
Geberadadaption gleicht mechanische Ungenauigkeiten des
Geberades aus, die sich auf die Zeiterfassung auswirken.
Bspw. können im Schiebebetrieb Zeiten für vergleichbare
Segmente erfaßt und untereinander verglichen werden.
Unterschiede können dann auf mechanische Ungenauigkeiten
zurückgeführt und durch rechnerische Korrekturen
ausgeglichen werden. Bei der Dynamikkompensation werden
Drehzahländerungen, die sich über mehrere Segmentzeiten
erstrecken erfaßt und ihr Einfluß auf eine einzelne
Segmentzeit wird rechnerisch eliminiert.
Fig. 4b stellt für z=4 und n=0 bis 12 erfaßte und ggf.
aufbereitete Segmentzeiten ts′′(n) dar. Dabei ist ein
Daueraussetzer im 4. Zylinder angenommen, was sich in einer
Verlängerung der zugehörigen Segmentzeiten für n = 3, 7 und 11
äußert. Durch die Verknüpfung der Segmentzeiten mit dem im
Block 4.2 erzeugten Signal (Symbol 4.5) ergeben sich die in
der Fig. 4c als Punkte in der komplexen Ebene dargestellten
Signalwerte. Eine Tiefpaßfilterung dieser Signale im Block
4.6, bspw. nach der Formel
liefert ein Merkmalsignal q(n), wie es qualitativ in der
Fig. 4c als Pfeil dargestellt ist. Das Merkmalsignal q(n)
besitzt in diesem Fall einen gewissen Betrag (Pfeillänge),
der anzeigt, daß Aussetzer auftreten. Die Richtung des
Pfeils zeigt an, daß der 4. Zylinder von Aussetzern
betroffen ist. Bei Aussetzern im Zylinder 1 würde der Pfeil
bspw. in Richtung der positiven Re-Achse zeigen, bei
Aussetzern im Zylinder 2 in Richtung der negativen Im-Achse
und bei Aussetzern im 3. Zylinder in Richtung der negativen
Re-Achse. Eine Erkennung von Aussetzern und Identifikation
der betroffenen Zylinder ist daher im Rahmen des
erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels durch Auswertung von
Betrag und Phase des Merkmalsignals q(n) möglich.
Die Fig. 5 veranschaulicht die Wirkung von Aussetzern in der
Frequenzbereichsdarstellung.
Dabei stellt die durchgezogene Linie die Anteile der
Frequenzen verschiedener Ordnungen im Segmentzeitsignal dar.
Die 0-te Ordnung entspricht dabei dem Gleichanteil des
Signals. Die kleineren Maxima bei den verschiedenen
Ordnungen k < 0 lassen sich verschiedenen Effekten zuordnen.
Anteile höherer Ordnung als 1 können bspw. durch mechanische
Ungenauigkeiten des Geberrades hervorgerufen werden. Die
erste Ordnung entspricht der Nockenwellenfrequenz und damit
der Frequenz von Daueraussetzern in einem Zylinder. Die
durchgezogene Linie weist einen vergleichsweise kleinen
Signalanteil 1. Ordnung auf, was für aussetzerfreien Betrieb
typisch ist. Treten dagegen Aussetzer in einem Zylinder auf,
so wächst dieser Anteil deutlich an, wie es durch die
gestrichelte Linie in der Fig. 5 symbolisiert wird.
Beim ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Verfahrens bewirkt die Modulation eine Verschiebung des
Signalspektrums um eine Ordnung nach links, so daß der für
Aussetzer charakteristische Anteil an die Stelle des
Gleichanteils rückt. Mit der anschließenden Tiefpaßfilterung
wird der Anteil der 1. Ordnung von den übrigen
Signalanteilen getrennt.
Das Ergebnis dieser Frequenzverschiebung und Filterung
findet sich in der Darstellung der Fig. 4c gewissermaßen
darin wieder, daß sich die Gleichanteile der Signale
gegenseitig aufheben und nur der auf Aussetzer
zurückzuführende Signalanteil in Gestalt der Länge des
Pfeils übrig bleibt. Gleichzeitig zeigt die Darstellung der
Fig. 4c, daß die Pfeilrichtung unabhängig von der Lage der
vier zur Tiefpaßfilterung herangezogenen Werte ist. Damit
geht das Verfahren über eine reine Frequenz- oder
Ordnungsfilterung hinaus und ermöglicht anhand der
Phasenlage des Merkmalsignals eine Zylinderidentifikation.
Fig. 6 zeigt Meßkurven, wie sie bei einer Realisierung des
erfindungsgemäßen Verfahrens erfaßt wurden. Fig. 6a stellt
die Bahn, d. h. den zeitlichen Verlauf eines erfindungsgemäß
gebildeten Merkmalsignals q(n) in Polarkoordinaten, d. h. mit
Betrag und Phasenwinkel dar. Der Merkmalspunkt bewegt sich
dabei vorwiegend in der Nähe des Mittelpunkts, d. h. mit
kleinem Betrag und zufällig verteiltem Phasenwinkel, wie es
einem aussetzerfreien Betrieb entspricht. Bei einem
einzelnen Aussetzer springt der Punkt gewissermaßen in einen
anderen Bereich, der um einen gewissen Betrag vom
Mittelpunkt entfernt ist und eine vergleichsweise scharf
definierte Phase besitzt. Aus dieser Fig. wird deutlich, daß
sich bereits einzelne Aussetzer mit Hilfe der Erfindung
detektieren und einem Zylinder zuordnen lassen. Die Fig. 6b
zeigt Daueraussetzer in 6 Zylindern eines 12-Zylindermotors.
Anhand dieser Fig. wird deutlich, daß sich Merkmalspunkte
von Aussetzern in verschiedenen Zylindern in deutlich
voneinander unterscheidbaren Bereichen des
Koordinatensystems konzentrieren und somit unterscheidbar
sind. Mit anderen Worten: Das erfindungsgemäße Verfahren
beinhaltet gewissermaßen eine integrierte Phasenkorrektur,
so daß die Signalanteile der Einzelaussetzer sehr schmale
Trajektorien ergeben. Dies begünstigt in Verbindung mit der
Lage der Maxima die Zylinderidentifikation. Auch für
Daueraussetzer ergeben sich kompakte Klassenräume mit
charakteristischen Übergängen, welche eine sehr gute
Trennbarkeit ermöglichen. Damit besitzt das erfindungsgemäß
gebildete Merkmalsignal q(n) sehr gute Eigenschaften für die
nachfolgende Klassifikationsstufe.
Als Alternative zum Ausführungsbeispiel der Fig. 4 kann die
Reihenfolge von Modulation und Filterung vertauscht werden.
Dargestellt ist dies in Fig. 7. Im Unterschied zu Fig. 4
wird die Tiefpaßfilterung durch eine Bandpaßfilterung
ersetzt. In beiden Ausführungsbeispielen kann mit negativen
Ordnungen gearbeitet werden.
Dieses Ausführungsbeispiel benötigt allerdings einen höheren
Rechenaufwand.
Claims (4)
1. Verfahren zur Erkennung von Verbrennungsaussetzern auf
der Basis eines ersten Signals, in dem sich die
Ungleichförmigkeit der Drehbewegung der Kurbelwelle der
Brennkraftmaschine abbildet,
- - bei welchem Verfahren ein zweites Signal erzeugt wird,
das periodisch ist und dessen Periodendauer der
Periodendauer eines Arbeitsspiels der Brennkraftmaschine
oder dieser Periodendauer geteilt durch eine ganze Zahl
entspricht und das eine feste Phasenbeziehung zur
Drehbewegung der Kurbelwelle aufweist,
dadurch gekennzeichnet, - - daß das zweite Signal mit einem auf dem ersten Signal basierenden Signal moduliert und gefiltert wird und
- - daß das aus Modulation und Filterung hervorgehende dritte Signal zur Erkennung von Verbrennungsaussetzern und zur Identifikation der betroffenen Zylinder verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
aus dem Betrag des dritten Signals auf das Auftreten von
Verbrennungsaussetzern und aus der Phase auf den betroffenen
Zylinder geschlossen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
zunächst die Modulation erfolgt und daß das modulierte
Signal tiefpaßgefiltert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
vor der Modulation zunächst eine Bandpaßfilterung des ggf.
aufbereiteten ersten Signals erfolgt.
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