DE19535094A1

DE19535094A1 - Verfahren zur Verbrennungsaussetzererkennung an einem oder mehreren dauernd aussetzenden Zylindern

Info

Publication number: DE19535094A1
Application number: DE19535094A
Authority: DE
Inventors: Andrea Dipl Ing Lohmann; Klaus Dipl Ing Ries-Mueller; Juergen Dr Ing Dr Foerster
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1995-09-21
Filing date: 1995-09-21
Publication date: 1997-03-27
Anticipated expiration: 2015-09-22
Also published as: US5893042A; IT1286923B1; FR2739140B1; FR2739140A1; DE19535094B4; JPH09126042A; ITMI961891A1

Description

Stand der Technik Verfahren zur Verbrennungsaussetzerkennung an einem oder mehreren dauernd aussetzenden Zylindern

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 (Fig. 1). 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.

Diese Verfahren stellen die Ergebnisse einer offensichtlich blockweisen Analyse im Frequenzbereich dar und gehen nicht auf die weitere Auswertung der gewonnenen Merkmale ein.

Demgegenüber beinhaltet die Erfindung ein komplettes Klassifikationssystem für Verbrennungsaussetzer. Es basiert auf einem Merkmalsignal, welches durch Auswertung von Drehzahlschwankungen mittels Signalmodulation gewonnen wird. Die Gewinnung eines solchen Merkmalssignals ist in der DE Patentanmeldung 19531845.5 beschrieben, die im folgenden als in vollem Umfang mitoffenbart vorausgesetzt wird. Kurz zusammengefaßt beschreibt die genannte Anmeldung ein Verfahren zur Erkennung von Verbrennungsaussetzern, das auf der Basis eines ersten Signals arbeitet, in dem sich sich die Ungleichförmigkeit der Drehbewegung der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine abbildet, und bei dem 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 k, entspricht und das eine feste Phasenbeziehung zur Drehbewegung der Kurbelwelle aufweist und bei dem das zweite Signal mit einem auf dem ersten Signal basierenden Signal moduliert und gefiltert wird und bei dem das aus Modulation und Filterung hervorgehende modulierte dritte Signal zur Erkennung von Verbrennungsaussetzern und zur Identifikation der betroffenen Zylinder verwendet wird. Das dritte Signal stellt damit in Bezug auf die nachfolgende Klassifikationsstufe ein Eingangsmerkmalssignal dar, in dem sich die Ungleichförmigkeit der Drehbewegung der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine in der k-ten Ordnung abbildet.

Das so gewonnene Merkmalssignal beinhaltet sowohl Frequenz- als auch Zeitbereichsinformationen, womit sich der Signal- Rauschabstand für die nachfolgenden Klassifikationsstufen wesentlich erhöht.

Beschränkt man sich bei der Merkmalsextraktion auf die erste Ordnung, d. h. k=1, sind bspw. Daueraussetzer von in der Zündreihenfolge symmetrisch angeordneten Zylindern nicht zu erkennen.

Außerdem besitzen einige Kombinationen von Daueraussetzern mehrerer Zylinder (Mehrfachaussetzer) Anteile in der 1. Ordnung, die zu einer falschen Erkennung als Daueraussetzer eines Zylinders und zu einer falschen Zylinderidentifikation führen.

Vor diesem Hintergrund liegt die Aufgabe der Erfindung darin, eine zuverlässige Erkennung von Daueraussetzern in einem oder mehreren Zylindern insbesondere im kritischen Bereich niedriger Lasten bei hohen Drehzahlen und Zylinderzahlen zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Dabei betrifft der Kern der Erfindung die Klassifikation. Durch Auswertung von zusätzlichen Merkmalsignalen, die weiteren Ordnungen zugeordnet sind, gestattet die hier vorgestellte Erfindung das Erkennen von Daueraussetzern an mehreren Zylindern und ermöglicht somit eine Erkennung und Zylinderidentifikation von Daueraussetzern an einem Zylinder.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die in dem zur Auswertung genutzten Merkmalsignal vorhandene Frequenz- und Zeitbereichsinformationen ausgewertet wird, womit sich der Signal-Rauschabstand wesentlich erhöht.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezug auf die Figuren beschrieben. Im einzelnen zeigt Fig. 1 das technische Umfeld der Erfindung.

Fig. 2 offenbart ein Ausführungsbeispiel in einer Funktionsblockdarstellung.

Fig. 3 zeigt ein typisches Eingangssignal ts(n) der Merkmalsextraktionsstufe mit Daueraussetzern an einem oder mehreren Zylindern eines 12-Zylindermotors.

Die Fig. 4, 5 und 6 stellen beispielhaft die Ausprägungen von Aussetzerkombinationen innerhalb der Beträge der Merkmalsignale verschiedener Ordnungen 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, wie es im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 dargestellt ist.

Das Sensorsignal ts(n) ist an den Eingang der Signalverarbeitungs- und Merkmalextraktionsstufe angelegt. Innerhalb dieser Stufe kann eine Signalaufbereitung durch Dynamikkompensation erfolgen. Die Signalmodulationsstufe dient der Extraktion von Merkmalsignalen q11(n) bis q1k(n), welche der 1. Ordnung bis k-ten Ordnung zugeordnet sind. Die Bildung der Merkmalsignale kann entsprechend der in der DE Patentanmeldung 19531845.5 beschriebenen Weise erfolgen.

Die notwendige Anzahl der Ordnungen hängt von der Zylinderzahl ab und lautet:
für Zylinderzahl = 3: k = 1
für Zylinderzahl = 4: k = 1, 2
für Zylinderzahl = 5: k = 1, 2
für Zylinderzahl = 6: k = 1, 2, 3
für Zylinderzahl = 8: k = 1, 2, 4
für Zylinderzahl = 12: k = 1, 2, 3, 4, 6.

Die ordnungsspezifischen Merkmalsignale werden an je einen Referenzsignalgenerator und anschließend an einen Betragsbildner gelegt.

Der Referenzsignalgenerator ist dadurch gekennzeichnet, daß bei kleinen Signaländerungen des Eingangsmerkmalsignals das Referenzsignal dem tiefpaßgefilterten Eingangssignal entspricht und daß bei großen Signaländerungen das Referenzsignal eingefroren wird, bis wieder kleine Signaländerungen auftreten.

Anschließend werden die Merkmalsignale nach der Betragsbildung einem Schwellwertvergleich unterzogen. Die Schwellwerte können kennfeldabhängig sein.

Fig. 3 zeigt ein typisches Eingangssignal ts(n) mit Daueraussetzern an einem und mehreren Zylindern bei einem 12-Zylindermotor mit 2000 U/min und 32% Last. Auffällig ist der geringe Störabstand bei einem Bankaussetzer, bei dem jeder zweite Zylinder aussetzt. Die Zündreihenfolge lautet:

1 - 12 - 5 - 8 - 3 - 10 - 6 - 7 - 2 - 11 - 4 - 9

Fig. 4, 5 und 6 zeigen beispielhaft die Ausprägungen von Aussetzerkombinationen innerhalb der Merkmalbetragssignale, die verschiedenen Ordnungen zugeordnet sind.

Die Merkmalsignale besitzen folgende Eigenschaften:

Im Merkmalsignal für die 1. Ordnung wird der Daueraussetzer eines Zylinders deutlich abgebildet. Asymmetrisch auf die Zylinder verteilte Mehrfachdaueraussetzer ,verursachen eine mindestens ca. 1.5fach größere Amplitude. Paarweise symmetrisch auf die Zylinder verteilte Mehrfachdaueraussetzer und Bankaussetzer erzeugen keine Anteile. Der kurze Anteil bei Zylinder 1+6 ist auf das zeitlich versetzte Ausschalten beider Zylinder zurückzuführen.

Im Merkmalsignal für die 2. Ordnung verursachen die paarweise symmetrisch auf die Zylinder verteilten Aussetzer Anteile, welche diejenigen des Daueraussetzers an einem Zylinder mindestens um das Doppelte übertreffen. Asymmetrisch auf die Zylinder verteilte Mehrfachdaueraussetzer besitzen in dieser Ordnung ebenfalls Anteile, während Bankaussetzer nicht wahrnehmbar sind.

Fast alle Daueraussetzertypen erzeugen mehr oder weniger ausgeprägte Anteile in der 6. Ordnung. Die Anteile des Bankaussetzers übertreffen die des Daueraussetzers an einem Zylinder mindestens um das Fünffache.

Diese Eigenschaften sind die Grundlage für die weitere Auswertung der Merkmalsignale in Fig. 2. Die Merkmalsignale werden nach der Betragsbildung einem Schwellwertvergleich unterzogen. Die Schwellwerte können kennfeldabhängig sein.

Bei Überschreitung des ersten Schwellwertes durch den Betrag des ersten, der 1. Ordnung zugeordneten Merkmalsignals wird vorläufig ein Daueraussetzer an einem Zylinder erkannt.

Bei Überschreitung mindestens eines Schwellwertes durch den Betrag der weiteren Eingangmerkmalsignale, welche höhere Ordnungen repräsentieren, oder bei Überschreitung des zweiten, höheren Schwellwertes durch den Betrag des ersten Merkmalsignals wird das Erkennungssignal für Daueraussetzer an mehreren Zylinder ecm(n) aktiv geschaltet.

Durch eine weitere logische Verknüpfung ist sichergestellt, daß bei aktivem Erkennungssignal für Daueraussetzer an mehreren Zylindern das Erkennungssignal für Daueraussetzer an einem Zylinder ecs(n) stets inaktiv und bei inaktivem Erkennungssignal für Daueraussetzer an mehreren Zylindern das vorläufig gesetzte Erkennungssignal für Daueraussetzer an einem Zylinder nach außen geschaltet wird.

Claims

1. Verfahren zur Erkennung von Verbrennungsaussetzern auf der Basis eines ersten Eingangsmerkmalsignals, in dem sich die Ungleichförmigkeit der Drehbewegung (auf Basis Drehzahl oder Segmentzeiten) des Verbrennungsmotors innerhalb der 1. Ordnung abbildet, dessen Betrag mit einem ersten Schwellwert und einem zweiten, größeren Schwellwert verglichen wird, sowie auf der Basis weiterer Eingangsmerkmalsignale, in denen sich die Ungleichförmigkeit der Drehbewegung (auf Basis Drehzahl oder Segmentzeiten) des Verbrennungsmotors innerhalb weiterer Ordnungen abbildet, deren Anzahl von der Zylinderzahl des Verbrennungsmotors abhängt und deren Beträge mit je einem jeder Ordnung zugeordneten Schwellwert verglichen werden, dadurch gekennzeichnet,

- daß bei Überschreitung des ersten Schwellwertes durch den Betrag des ersten Eingangsmerkmalssignals vorläufig ein Daueraussetzer an einem Zylinder erkannt wird und
- daß bei Überschreitung mindestens eines Schwellwertes durch den Betrag der zugeordneten weiteren Eingangmerkmalsignale oder bei Überschreitung des zweiten Schwellwertes durch den Betrag des ersten Merkmalsignals ein Erkennungssignal für Daueraussetzer an mehreren Zylinder aktiv wird und
- daß bei aktivem Erkennungssignal für Daueraussetzer an mehreren Zylindern das Erkennungssignal für Daueraussetzer an einem Zylinder stets inaktiv geschaltet wird und
- daß bei inaktivem Erkennungssignal für Daueraussetzer an mehreren Zylindern das vorläufige Erkennungssignal für Daueraussetzer an einem Zylinder nach außen geschaltet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet,

- daß in dem Signalpfad der einzelnen Eingangsmerkmalsignale vor oder nach der Absolutwertbildung zum Schwellwertvergleich ein Referenzsignalgenerator geschaltet ist und
- daß in diesem Referenzsignalgenerator eine Signalglättung durch lineare- oder nichtlineare Tiefpaßfilterung erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß bei inaktivem Erkennungssignal für Daueraussetzer an mehreren Zylindern und bei aktivem Erkennungssignal für Daueraussetzer an einem Zylinder eine Identifikation des aussetzenden Zylinders erfolgt und nach außen geschaltet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß bei aktivem Erkennungssignal für Daueraussetzer an mehreren Zylindern aus den Merkmalsignalen eine Identifikation der mindestens zwei dauernd aussetzenden Zylinder erfolgt.