DE69410911T2

DE69410911T2 - Vorrichtung und Verfahren zum Kompensieren von Torsionsstörungen bei Kurbelwellen

Info

Publication number: DE69410911T2
Application number: DE69410911T
Authority: DE
Inventors: John Victor James
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1993-09-01
Filing date: 1994-07-20
Publication date: 1998-10-15
Anticipated expiration: 2014-07-21
Also published as: DE69410911D1; US5377537A; EP0646711A1; JPH07151009A; EP0646711B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Erkennung von Fehlzündungen in Verbrennungsmotoren, und speziell ein System und ein Verfahren, das systematische Unregelmäßigkeiten der gemessenen Motorgeschwindigkeit ausgleicht, die durch Torsionsbiegung der Kurbelwelle während ihrer Umdrehung ausgelöst werden.
Eine Möglichkeit, Fehlzündungen in Verbrennungsmotoren zu erkennen, ist die Messung der Kurbelwellendrehzahl und die Beobachtung von deren Drehzahlschwankungen. Die Erkennung von Abweichungen der Kurbelwellendrehzahl (erkennbar durch nicht normale Beschleunigungswerte) von normalen, erwarteten Kurbelwellendrehzahlen ist ein Indikator für Fehlzündungen. Abweichungen der Beschleunigung werden über nominell gleiche, aufeinanderfolgende Intervalle der Kurbelwellenumdrehung bestimmt, die als Profilzündungsmeßintervalle (PIP- Intervalle) bezeichnet werden. Ein PIP-Signal ist ein von einem Sensor empfangenes digitales Signal, der bestimmte Positionen der Rotation eines auf der Kurbelwelle befestigten Rads während des Motorbetriebs erfaßt. PIP-Intervalle werden auch als Verbrennungsintervalle bezeichnet, die die gleiche Länge (aber nicht notwendigerweise Phase) wie der Wechsel zwischen oberen Totpunkten von in der Zündreihenfolge benachbarten Zylindern besitzen.
Idealerweise erzeugt ein Motor während des Normalbetriebs eine Serie von PIP- Übergangssignalen, deren Dauern die durchschnittliche Kurbelwellendrehzahl während eines wesentlichen Anteils des Arbeitshubs für jeden der Zylinder des Motors anzeigen. Die Kurbelwellendrehzahl bleibt entweder konstant (null Beschleunigung), nimmt zu (positive Beschleunigung) oder ab (negative Beschleunigung), abhängig davon, ob der Motor jeweils konstant läuft, beschleunigt oder abbremst. Wenn ein normaler Motor beispielsweise bei konstanten Verhältnissen arbeitet (keine Beschleunigung), dann wird erwartet, daß er einen Beschleunigungswert nahe null über aufeinanderfolgende PIP-Intervalle liefert. Wenn jedoch ein bestimmter Zylinder eines Motors einen ausreichend negativen Wert bei konstanten Betriebsbedingungen produziert, dann wird dieses Ereignis als Fehlzündungszustand interpretiert, da ein Ausgabewert von null für alle Zylinder eines normalen Motors während konstanten Betriebsbedingungen erwartet wird.
Dementsprechend suchen Fehlzündungsdetektoren im allgemeinen nach einzelnen Zylindern, die Beschleunigungswerte aufweisen, die von den lokalen Durchschnittswerten aller Zylinder abweichen, wobei der lokale Durchschnittswert von den Betriebsbedingungen abhängt (z.B. konstante Betriebsverhältnisse, Beschleunigung, Abbremsen, usw.). Das Problem besteht darin, daß/die einzelnen Zylinder in normalen Motoren dazu neigen, Geschwindigkeitswerte zu liefern, die leicht vom lokalen Durchschnitt aller Zylinder in systematischer Art und Weise abhängig von der Zylindernummer abweichen. In einem normal betriebenen Motor beeinträchtigt dies die Fähigkeit des Fehlzündungsdetektors, abnormales Verhalten aufgrund von Fehlzündungen zu erkennen.
Es gibt mindestens zwei Ursachen für solche zylinderspezifischen Abweichungen. Die erste wird im U.S.-Patent Nr.5,117,681 von Dosdall et al. erörtert, auf das hierin Bezug genommen wird. Dosdall et al. behandeln systematische Abweichungen, die durch die PIP-Abstände des Rads verursacht werden. Wenn das als Positionsgeber auf der Kurbelwelle befestigte Rad selbst kleinste Unregelmäßigkeiten bezüglich des PIP-Intervallabstandes aufweist (z.B. einige Zehntel Grad Differenz), dann wird ein normaler Motor bei konstanter wahrer PIP-zu-PIP-Geschwindigkeit (konstante Betriebsbedingungen) scheinbar kleine Geschwindigkeitsänderungen erfahren (folglich Beschleunigungswerte ungleich null). Die Geschwindigkeitsänderungen scheinen sich dann mit den speziellen Zylindern, die mit den abweichenden PIP- Intervallen behaftet sind, zu decken. Obwohl der Grad der Störung eines gegebenen Fehlers eines Rads auf die Berechnung der Beschleunigung stark drehzahlabhängig ist, so ist der Fehler selbst statisch und er kann empirisch während allen Betriebsbedingungen, sogar beim Abbremsen, bestimmt werden.
Dosdall et al. bevorzugen das Ausrollen ohne Kraftstoff, um Fehler des Positionsgebers zu erkennen. Der Grund ist das Verhindern von ungleichmäßigen Beschleunigungswerten während der Meßwerterfassung, da ohne Kraftstoff kein Zylinder betrieben wird. Die Anwendung des in Dosdall et al. angegebenen Verfahrens auf Daten beim Ausrollen ergibt eine Reihe von Werten, die die tatsächlichen PIP-Intervallabstände des Rads relativ zum Sollwert (gleiche Abstände angenommen) anzeigen. Es gibt nur n/2 so erhaltene, einzigartige Korrekturwerte, da auf der Kurbelwelle befestigte Räder normalerweise halb so viele PIP-Intervalle wie Motorzylinder (n) aufweisen. Jeder einzelne Korrekturwert wird zweimal pro Arbeitsspiel verwendet.
JP-A-519585 offenbart eine Apparatur zum Erkennen des Auftretens von Fehlzündungen in einem Mehrzylinder-Verbrennungsmotor, die die Drehzahl des Motors bei jedem Expansionshub eines jeden Zylinders mißt, eine Änderung des Betrags der Drehzahlfluktuation des Motors in Übereinstimmung mit einem Wert der gemessenen Drehzahl berechnet und für jeden Zylinder einen Fehlzündungserkennungswert setzt, der auf einem Ergebnis der Bestimmung der Betriebsbedingungen des Motors basiert. Die Fehlzündungsbestimmung wird für jeden Zylinder basierend auf dem Fehlzündungserkennungswert eines jeden Zylinders und der Änderung des Betrags der Drehzahlfluktuation durchgeführt, wodurch die Genauigkeit der Erkennung des Auftretens einer Fehlzündung in jedem Zylinder erhöht wird.
Das zweite Problem und zugleich Thema der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die Kurbelwelle selbst unter normalen Betriebsbedingungen verschiedene Beschleunigungs- und Abbremswerte aufgrund des nicht steifen (torsionalen) Verhaltens der Kurbelwelle liefert. Da die Kurbelwelle nicht steif ist, produziert sie schwache Schwingungen (aufgrund von Kurbelwellenbiegung) im PIP-Signal (systematisches "Rauschen"). Dieses Rauschen neigt dazu, echte Fehlzündungen zu verschleiern, und es kann eine falsche Anzeige bewirken, daß einer oder mehrere Zylinder Fehlzündungen hatten, selbst wenn der Motor tatsächlich korrekt läuft. Zum Beispiel können die Zylinder an der Vorderseite der Kurbelwelle deren Drehzahl an der Meßstelle leicht anders beeinflussen als Zylinder an deren Ende. Die Auswirkungen der Torsionsbiegung der Kurbelwelle können auftreten, wenn der Antrieb abgestellt wird (wie im Patent von Dosdall et al.), da die Trägheitsdrehmomente ungleichmäßige Bewegungen (Beschleunigungen) hervorrufen. Im allgemeinen sind die Auswirkungen solcher torsionalen Schwankungen auf die berechneten Beschleunigungswerte bei höheren Motordrehzahlen ausgeprägter, wie Meßwerte typischer Motoren zeigen.
Es gibt keinerlei frühere Technik, die in der Lage ist, die beschriebenen Probleme im Einklang mit den Datensammlungen von PIP-Intervallen zu lösen, die in Fehlzündungserfassungsschemata verwendet werden. Daher wird ein Mechanismus benötigt, der die torsionalen Effekte bei der Berechnung der Kurbelwellendrehzahl kompensiert, um die exakte Erkennung von Fehlzündungen zu ermöglichen.
Die vorliegende Erfindung richtet sich auf ein Verfahren, das systematische, durch Torsionsbiegung der rotierenden Kurbelwelle hervorgerufene Abweichungen der gemessenen Motorgeschwindigkeit kompensiert. Dieses Verfahren ist in Patentanspruch 1 definiert. Die gemessenen Motorgeschwindigkeiten dienen der Erkennung von Fehlzündungen in einem Verbrennungsmotor. Als Ergebnis wird die Genauigkeit der Erkennung von Fehlzündungen erheblich verbessert.
Die vorliegende Erfindung kompensiert Unregelmäßigkeiten in der Synchronisation von Profilzündungsmeßintervallen (PIP-Intervallen), die systematisch mit verschiedenen Zylindern des Motors in Bezug stehen (z.B. Abweichungen in der PIP- Synchronisation, durch Torsionsbiegung der Kurbelwelle hervorgerufen, sind ein inhärentes, übliches Ereignis in normalen Motoren). Die vorliegende Erfindung ist dazu ausgelegt, um mit einer Prozessoreinheit zu arbeiten. In der bevorzugten Ausführungsform werden Korrekturfaktoren für sämtliche n PIP-Intervalle eines Motorarbeitsspiels für jeden von mehreren Betriebszuständen des Motors erzeugt. Jeder Satz von n generierten Korrekturfaktoren wird in einer Tabelle (einer "Referenztabelle", die sich in einer Speichereinheit befindet) abgelegt und besitzt eine zugehörige, eindeutige Adresse. Diese Tabelle wird normalerweise empirisch durch die Kalibrierung des Motortyps mit einem Testmotor bestimmt. Die Korrekturfaktoren werden erzeugt, während der Testmotor an einem festgelegten, konstanten Betriebspunkt mit Verbrennung läuft, wobei der Betriebspunkt typischerweise einer bestimmten Drehzahl und Last entspricht.
Die Tabelle kann dann in die Speichereinheiten von Serienfahrzeugen geladen werden. Während des Betriebes werden gemessene Betriebsparameter des Motors (z.B. eine bestimmte Drehzahl und Last) als Adresse genutzt, um in der Referenztabelle gespeicherte Korrekturfaktoren auszulesen. Interpolation wird verwendet, um Korrekturfaktoren aus der Referenztabelle zu lesen, die nicht mit einer exakten Adresse übereinstimmen, die durch die gemessenen Betriebsbedingungen geliefert wird. Die Korrekturfaktoren werden dann auf eine allgemeine Geschwindigkeitsformel zur Erkennung von Fehlzündungen angewandt, während der Serienmotor in Echtzeit in Verbindung mit einem Prozessor arbeitet.
Die bevorzugten Ausführungsformen dieser Erfindung verbessern die Fähigkeit von Systemen zur Fehlzündungserkennung, zwischen normalen Betriebszündungen und Fehlzündungen zu unterscheiden.
Die Erfindung wird nun anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen weiter beschrieben werden, in denen:
Abb. 1 ein Beispiel eines Systems zur Stellungs- und Geschwindigkeitsmessung zeigt, das von der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
Abb. 2 eine alternative Ausführungsform eines Systems zur Stellungs- und Geschwindigkeitsmessung zeigt, das von der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
Abb. 3 ein Fließdiagramm ist, das die Schritte wiedergibt, die von einem Prozessor ausgeführt werden, um die Korrekturfaktoren (Ck) nach der vorliegenden Erfindung zu erhalten;
Abb. 4A zwei Umdrehungen eines Positionsgebers während eines kompletten Arbeitsspiels eines als Beispiel genommenen Sechszylindermotors nach der vorliegenden Erfindung graphisch darstellt;
Abb. 4B PIP-Intervalle zeigt, die linear entlang einer ein gesamtes Arbeitsspiel umfassenden Zeitachse aufgetragen sind, wie in Abb. 4A dargestellt ist;
Abb. 5 ein Fließdiagramm ist, das zeigt, wie die Korrekturfaktoren für Torsionseffekte in einem Serienfahrzeug mit Verbrennungsmotor eingesetzt werden;
Abb. 6A ein Signal zur Fehizündungserkennung zeigt, das ohne jegliche Korrektur der Geschwindigkeiten berechnet wurde;
Abb. 6B dasselbe Signal zur Fehlzündungserkennung wie in Abb. 6A mit einigen Verbesserungen im Signal-Rauschabstand zeigt, nachdem Korrekturfaktoren für das Profil des Rads an die Geschwindigkeit verwendet wurden;
Abb. 6C dasselbe Signal zur Fehlzündungserkennung wie in Abb. 6A-6B zeigt, allerdings unter Anwendung von Korrekturfaktoren zum Ausgleich von Torsionsschwankungen entsprechend der vorliegenden Erfindung, was eine weitaus größere Verbessemng liefert, die sich im klarer erkennbaren Fehlzündungssignal ausdrückt.
Die vorliegende Erfindung verwendet ähnliche Meßapparaturen wie die in US-A- 5,117,681 eingesetzten. Ein kurzer Überblick über diese Meßapparaturen wird unten gegeben.
Abb. 1 zeigt beispielhaft ein System zur Stellungs- und Geschwindigkeitsmessung, das von der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Das Motorumdrehungs- Positionserkennungssystem aus Abb.1 beinhaltet einen Rotor 100 mit den Schaufeln 101, 102 und 103, die mit einer Kurbelwelle 104 rotieren (ein Dreischaufelrotor aus einem Sechszylindermotor wird in diesem Beispiel gezeigt). Die Schaufeln 101-103 passieren den Raum zwischen einem Hall-Effekt-Sensor 105 und einem Dauermagneten 106, um ein Profilzündpuls-(PIP)-Signal 107 bei der Umdrehung der Kurbelwelle 104 zu erzeugen. Die Schaufeln 101-103 sind normalerweise so angeordnet, daß eine steigende Flanke im PIP-Signal 100 vor dem oberen Totpunkt für den jeweiligen Zylinder erzeugt wird (in der bevorzugten Ausführungsform entstehen abfallende Flanken 600 vor und 600 nach dem oberen Totpunkt für einen Sechszylindermotor). Die steigende Flanke im PIP-Signal zeigt tatsächlich die Annäherung von zwei Zylindern an den oberen Totpunkt an, von denen einer den Arbeitshub und der andere den Ansaughub ausführen wird, da zu einem kompletten Arbeitsspiel zwei vollständige Kurbelwellenumdrehungen notwendig sind.
Ein Zylinderidentifizierungs-(CID)-Sensor 107 ist mit einer Nockenwelle 108 verbunden, um zu ermitteln, welcher der beiden Zylinder tatsächlich seinen Arbeitshub ausführt. Da die Nockenwelle 108 eine Umdrehung je zwei Umdrehungen der Kurbelwelle 104 ausführt, wird ein CID-Signal vorzugsweise so erzeugt, daß es eine steigende Flanke besitzt, die mit dem Arbeitshub von Zylinder 1 zusammenfällt.
Ein Zeitgeber 120 empfängt das PIP-Signal und das CID-Signal und mißt die verstrichene Zeit zwischen vorbestimmten Motorstellungen, die durch die CID- und PIP-Signale (vorzugsweise zwischen fallenden Flanken des PIP-Signals) gegeben sind. Die verstrichene Zeit ΔTi für jedes Geschwindigkeitsmeßintervall wird vom Zeitgeber 120 zum Geschwindigkeitsberechner 121 ausgegeben, wo der angenommene Winkelabstand Δθ&sub0; durch die Zeit ΔTi geteilt wird, um den Geschwindigkeitsbetrag Vi zu erhalten.
In der bevorzugten Ausführungsform sind der Zeitgeber 120 und der Geschwindigkeitsberechner 121 Teile einer Firm- und Software eines Prozessorsystems ("Prozessor") 140. Der Zeitgeber 120 und der Geschwindigkeitsberechner können auch als Hardware ausgeführt sein. Eine Speichereinheit 122 ist über einen bidirektionalen Bus 123 mit dem Prozessor 140 verbunden.
Eine alternative Ausführung einer Apparatur zur Stellungsmessung ist in Abb. 2 dargestellt. Ein mehrfach verzahntes Rad 202 ist am Motor befestigt, um mit der Kurbelwelle zu rotieren. Eine Vielzahl von Zähnen 204 ist am Umfang des Rads 202 in vorbestimmtem Winkelabstand angeordnet. Ein Sensor 206 ist nahe an den Zähnen 204 fest angebracht, um den Zeitpunkt zu erkennen, zu dem jeder Zahn den Sensor 206 passiert.
In der bevorzugten Ausführungsform gibt es eine Stellung 208 mit einem fehlenden Zahn auf Rad 202, um einen absoluten Referenzpunkt festzulegen, z.B. 90º vor dem oberen Totpunkt des Zylinders Nummer 1.
Der Sensor 206 ist mit dem Zeitgeber 120 und dem Geschwindigkeitsberechner 121 verbunden, wie unter Bezugnahme auf Abb. 1 beschrieben ist. Da die Intervalle zur Geschwindigkeitsmessung in dieser Ausführung jedoch länger als die Abstände der Zähne 204 sind, wird zwischen dem Zeitgeber 120 und dem Geschwindigkeitsberechner 121 ein Intervallbildner 210 angeordnet, um die Summe der gemessenen Zeitperioden für aufeinanderfolgende Zähne, die zum zu messenden jeweiligen Geschwindigkeitsintervall gehören, zu liefern. Wie in Abb. 1 und 2 gezeigt wird, können der Zeitgeber 120, der Geschwindigkeitsperechner 121 und der Intervallbildner 210 bevorzugt im programmierbaren Prozessor 140 ausgeführt werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden Ausgleiche (Korrekturfaktoren) für systematische Unregelmäßigkeiten durch reale Geschwindigkeitsschwankungen der auf der Kurbelwelle befestigten Räder 100, 202 berechnet, die aufgrund der Dynamik der einzelnen Zylinder, die Drehmomente an verschiedenen Stellen der flexiblen Kurbelwelle 104 einleiten, entstehen. Abb. 3 ist ein Fließdiagramm, das die Verfahrensschritte darstellt, die der Prozessor 140 durchführt, um die Korrekturfaktoren Ck zu erhalten.
In Bezug auf Abb. 3 wird in Schritt 302 der Motor bei festgelegten konstanten Betriebsverhältnissen betrieben. Der Ausdruck "konstante Betriebsverhältnisse" bedeutet, daß der Motor mit einer bestimmten Drehzahl und Last zur Rotation veranlaßt wird, wobei die Drehzahl in Umdrehungen pro Minute (RPM, Umin&supmin;¹) und die Last in Prozentanteilen der vollen Luftladung angegeben wird, die nominell zum Drehmoment proportional ist. Beispielsweise kann es zunächst erwünscht sein, das Antwortverhalten des Motors bei 2000 RPM mit einer Last von 0.50 zu messen (wobei die Last auf einer Skala von 0 bis 1 der maximalen Luftladung, die der Motor zur Drehmomenterzeugung aufnehmen kann, gemessen wird). Die gewählte Anzahl der Last- und Drehzahlpunkte, anhand deren die Referenztabelle erstellt wird, hängt von der vom System benötigten Genauigkeit und dem zu charakterisierenden Motor ab. Drehzahl und Last sind die zwei wichtigsten Faktoren, die die Torsionseffekte in der Kurbelwelle 104 hervorrufen. Es ist jedoch vorgesehen, andere Betriebsparameter als die Last und die Drehzahl zu berücksichtigen (z.B. Vorzündung und Abgasrückführung (EGR)), die üblicherweise das Motordrehmoment und somit den Grad der Torsionsbiegung der Kurbelwelle 104 beeinflussen.
In Schritt 304 wird ein einzigartiger Satz von Korrekturfaktoren, einer für jeden Zylinder, für jeden einzigartigen konstanten Betriebspunkt (bestimmte Drehzahl und Last) aus Werten bestimmt, die während N kompletten Arbeitsspielen eines normal laufenden Motors gesammelt werden. Diese Korrekturfaktoren werden mit Ck gekennzeichnet, mit k=1 bis n, wobei n gleich der Anzahl der Zylinder des Motors ist. Zur Umsetzung ist es vorteilhaft, die Zylinder nach ihrer Position in der Zündreihenfolge durchzuzählen und nicht nach der bezeichnenden Zylindernummer. So ist C&sub1; der Korrekturfaktor bei gegebenen Betriebsbedingungen für Zylinder 1, C&sub2; der zugehörige Faktor für den nächsten Zylinder in der Zündreihenfolge und so weiter.
Der Korrekturfaktor für den k-ten Zylinder basiert auf dem durchschnittlichen Verhältnis jeder PIP-Intervallgeschwindigkeit (mit V, bezeichnet) des zugehörigen Zylinders k zur durchschnittlichen Geschwindigkeit (mit Wi bezeichnet) über ein gesamtes Arbeitsspiel, das um das PIP-Intervall zentriert ist. Dieses Verhältnis ist graphisch in Abb. 4A wiedergegeben, die zwei Umdrehungen eines Positionsgebers während eines gesamten Arbeitsspiels 402 eines als Beispiel angeführten Sechszylindermotors darstellt (wobei ein PIP-Intervall mit 404 gekennzeichnet ist). Die sechs Meßintervalle sind mit i-3, i-2, i-1, i, i+1, i+2 bezeichnet, wobei ein einzelner Schätzwert des Korrekturfaktors für das Intervall i bestimmt werden soll. Die zwei für jedes i berechneten Geschwindigkeiten sind die Durchschnittsgeschwindigkeit (Vi) über das PIP-Intervall 404 (Länge 1200) und die Durchschnittsgeschwindigkeit (Wi) über das gesamte Motorarbeitsspiel 402 (mit einer Länge von 7200 oder über eine Vielzahl von Arbeitsspielen 402 berechnet).
Diese Intervalle sind auch in Abb. 4B dargestellt, die die PIP-Intervalle 404 linear entlang einer Zeitachse aufgetragen zeigt. Das Verhältnis von Wi zu Vi während konstanter Betriebsbedingungen ist ein Maß für den Korrekturfaktor für den entsprechenden Zylinder im i-ten Intervall. Diese Messung muß für viele aufeinanderfolgende Intervalle unter denselben Betriebsbedingungen durchgeführt werden, um wiederholte Bestimmungen der Korrekturfaktoren für jedes der PIP- Intervalle, aus denen sich ein Motorarbeitsspiel 402 zusammensetzt, zu liefern. Wie in Abb. 4B gezeigt wird, kann jedes PIP-Intervall 404 anhand des entsprechenden Zeitwechsels ti und jedes komplette Motorarbeitsspiel 402 anhand seines Zeitwechsels si gemessen werden.
Das Mitteln der Ergebnisse wird gesondert für jeden der n Zylinder für die gesammelten Daten von N Arbeitsspielen mit Hilfe von Gleichung (1.0) durchgeführt, um die Korrekturfaktoren zu erhalten: (Gleichung 1.0)
wobei die Beschränkung auf i Werte bei der Summenbildung der Elemente des Satzes Sk lediglich auf die Intervalle hinweist, die mit Zylinder k in Zusammenhang stehen. Zum Beispiel würde ein Datensatz, der mit Zylinder 1 beginnt, für einen Sechszylindermotor einen Satz S&sub1;= i: i=1, 7 , 13, 19,... liefern. Die i Werte zum Berechnen des Korrekturfaktors C&sub2; wären die des Satzes S&sub2;= i: i=2, 8, 14, 20,... und so weiter. Es ist zu beachten, daß Wi = 720/si und Vi = Δθ&sub0;/Δti ist, wobei θ&sub0; = 720º/n ist.
Das Einsetzen dieser Ausdrücke in Gleichung (1.0) ergibt eine verschiedene, aber gleichwertige Gleichung für Ck, wie in Gleichung (1.1) angegeben ist: (Gleichung 1.1)
Anschließend speichert der Prozessor 140 in Schritt 306 die Korrekturfaktoren aus Schritt 304 im Speicher 122 als Teil einer "Tabelle von Korrekturfaktoren", auch als "Referenztabelle" bezeichnet, ab. Der Korrekturfaktor für jedes Ck (wobei k=1 bis n) wird in Speicher 122 an eine Adresse geschrieben, die dieser speziellen Drehzahl und Last des Motors entspricht. Speicher 122 wird vorzugsweise als Direktzugriffsspeicher (RAM) ausgeführt, kann aber jede Art von in Verbindung mit Prozessoren verwendetem Speicher sein, wie z.B. DRAM, SRAM, etc.
In Schritt 308 wird ein Betriebsparameter (wie z.B. Drehzahl und/oder Last), der das Kurbelwellendrehmoment beeinflußt, modifiziert, um zusätzliche Korrekturfaktoren zu erhalten. Die Schritte 304, 306 und 308 werden dann solange wiederholt, bis die Referenztabelle vervollständigt ist, wie durch den "JA" Pfad des Entscheidungsschritts 310 dargestellt ist. Normalerweise wird das resultierende System um so genauer sein, je mehr Korrekturfaktoren erzeugt und im Speicher 122 gespeichert werden.
Wenn diese Korrekturfaktoren für jede einer Vielzahl von Betriebsbedingungen des Motors bestimmt wurden, muß eine Anpassung der Korrekturfaktoren, die in Speicher 122 gespeichert sind, durchgeführt werden, um den Beitrag aufgrund von Unregelmäßigkeiten in der Intervalleinteilung des Positionsgebers 100, 202 des Testmotors zu entfernen, wie im Patent von Dosdall et al. beschrieben ist. So muß jeder der Korrekturfaktoren in der Tabelle durch den entsprechenden Radkorrekturfaktor geteilt werden, wie im Patent von Dosdall et al. beschrieben ist. Der Grund dafür, daß der Einfluß der Unregelmäßigkeiten des Rads auf die Korrekturfaktoren entfernt werden muß, ist die Sicherstellung, daß nur die Einflüsse der Torsionsschwankungen der Kurbelwelle in der Tabelle der Korrekturfaktoren 122 verbleiben. Dies ist nötig, da die kleinen Unregelmäßigkeiten in den Positionsgebern 100, 202 von Fall zu Fall bei der Fertigung abhängen können und durch einen einzigen Auslauffest, wie im Patent von Dosdall et al. beschrieben, für einzelne Motoren bestimmt werden können.
Im Gegensatz dazu sind torsionsbedingte Schwankungen bei jeder Drehzahl und Last größtenteils eine Funktion des Motorentwurfs, und sie können in einer Tabelle von kalibrierten Korrekturfaktoren im Speicher 122 charakterisiert werden, die kalibrierte Korrekturwerte enthält. Um zu versuchen, Anpassungen der Tabelle mit den Korrekturfaktoren zur Berücksichtigung der Torsionseffekte in Speicher 122 dynamisch für jeden einzelnen Motor in der oben genannten Art und Weise vorzunehmen, müßte man vorher wissen, daß die Meßwerte von einem normal arbeitenden (fehlzündungsfreien) Motor gesammelt werden, was eine schwierige Annahme unter unkontrollierten Versuchsbedingungen ist. Da das Verfahren zur Erkennung von Fehlzündungen auf diesen Korrekturfaktoren beruht, um eine genauere Erkennung von Fehlzündungen bei höheren Drehzahlen zu ermöglichen, wird das Vertrauen in ein solches Fehlzündungserkennungsverfahren zum Sicherstellen eines normalen Betriebs während der Meßwerterfassung nicht unterstützt werden.
So wird die Tabelle der Korrekturfaktoren 122 bei der Kalibrierung des Motortyps durch einen Testmotor (oder durch eine Simulation, wenn diese einen genügenden Entwicklungsstand besitzt) empirisch bestimmt. Sobald die Referenztabelle im Speicher 122 vervollständigt ist, kann sie in Serienfahrzeugen eingesetzt werden. Die Referenztabelle in Speicher 122 erlaubt es, Korrekturfaktoren Ck für jeden Betriebszustand des Motors zu bestimmen. Sollte z.B. der Motor bei 2000 Umin&supmin;¹ und einer Last von 0.25 betrieben werden, so würden diese beiden Betriebsparameter als Index (oder Adresse) (über den Bus 123 aus Abb. 1 und 2) der Referenztabelle in Speicher 122 (der Lasteingang zum Bus 123 ist in Abb. 1 und 2 nicht abgebildet) verwendet werden. Die Ausgabe über den Bus 123 aus der Referenztabelle wären die Korrekturfaktoren Ck zu den Betriebsbedingungen von 2000 Umin&supmin;¹ bei einer Last von 0.25. Mit Hilfe von Interpolation kann jeder der n Korrekturfaktoren von den nächsten benachbarten Punkten in der Referenztabelle im Speicher 122 abgeschätzt werden, falls die Betriebsbedingungen nicht genau den indizierten Werten der Referenztabelle in Speicher 122 entsprechen.
Die Tabelle mit Korrekturfaktoren für Torsionseinflüsse wird in Verbindung mit dem Satz von Korrekturfaktoren für das Rad in Serienfahrzeugen eingesetzt, um berichtigte Geschwindigkeitsmessungen von V'i eines Motors zu erhalten. Abb. 5 ist ein Fließdiagramm, das zeigt, wie die Korrekturfaktoren für Torsionseinflüsse in einem Serienfahrzeug mit Verbrennungsmotor verwendet werden.
Unter Bezugnahme auf Abb. 5 läuft bei Schritt 502 der Motor mit einer bestimmten Drehzahl und Last unter Fahrbedingungen, wie sie typischerweise von einem Serienfahrzeug im täglichen Gebrauch angetroffen werden. In Schritt 504 wird jede neue Drehzahl und Last des Motors wie oben gemessen. In Schritt 506 werden Werte für die Drehzahl und die Last als Eingabe zum Speicher 122 verwendet, um über den Bus 123 die entsprechenden Korrekturfaktoren aus dem Speicher 122 zu erhalten. Es ist nicht nötig, die Korrekturfaktoren nach jedem PIP-Intervall zu lesen, das System ist jedoch im allgemeinen genauer, wenn die Korrekturfaktoren zeitig aufgefrischt werden. In Schritt 508 berechnet der Bordrechner (Prozessor 140) den Satz der n Torsions-Korrekturfaktoren, die für die Betriebsbedingungen geeignet sind, durch eine zweidimensionale Interpolation der Werte in der Tabelle der Korrekturfaktoren zum nächsten Betriebspunkt (mit Ck* bezeichnet, mit k=1 bis n, wobei * das interpolierte Ergebnis aus der Tabelle bezeichnet).
Dann wird in Schritt 510 der Korrekturfaktor Ck*, aus dem Speicher 122 in Schritt 508 erhalten, vom Prozessor 140 verwendet, um die berichtigte Geschwindigkeit Vi zu berechnen. Gleichung (3.0) stellt einen möglichen Ausdruck dar, um die berichtigte Geschwindigkeit zu errechnen:
V'i = C BkVi (Gleichung 1.2)
wobei Vi die unberichtigte Geschwindigkeit für das i-te Intervall, Bk der Korrekturfaktor des Radprofils (wie im Patent von Dosdall et al. beschrieben), Ck* der momentane Wert des Korrekturfaktors für Torsionseffekte und k die Zylindernummer ist, die zum i- ten Intervall gehört. Viele alternative Funktionen können aufgestellt werden, um die berichtigte Geschwindigkeit zu erhalten. Zum Beispiel kann nach der Bestimmung der Korrekturfaktoren des Rades Bk eines bestimmten Motors eine neue Tabelle mit Werten von Ck'=Ck Bk anstelle der Tabelle von Ck erstellt werden, um so diese beiden Korrekturfaktoren in einer Tabelle zusammenzufassen, wodurch eine gesonderte Multiplikation bei jeder weiteren Geschwindigkeitsbestimmung entfällt.
Andere mathematische Varianten können ebensogut verwendet werden, um Korrekturfaktoren aus Motordaten abzuleiten. Zum Beispiel ist ein alternatives Verfahren zum Bestimmen der Werte Ck eine Anpassung der kleinsten Quadrate der berichtigten PIP-Intervallgeschwindigkeiten an die Durchschnittsdrehzahlen der Motorarbeitsspiele. Anders ausgedrückt erfolgt die Wahl von Ck so, daß der in Gleichung (1.3) definierte Fehler minimiert wird: (Gleichung 1.3)
Gut bekannte Techniken, um δE/δCk auf null zu setzen, ergeben die alternative Formel für Ck wie in Gleichung 1.4: (Gleichung 1.4)
Tatsächlich kann gezeigt werden, daß Gleichung (1.0) äquivalent einer Anpassung der kleinsten Quadrate der relativen Geschwindigkeitsdifferenzen ist, wobei der Fehler wie in Gleichung 1.5 definiert ist: (Gleichung 1.5)
Die Anwendung der Vorgehensweise der vorliegenden Erfindung liefert ein effektives System, um systematische Unregelmäßigkeiten aufgrund der Torsionsbiegung der Kurbelwelle 104 zu entfernen. Die Wirksamkeit der vorliegenden Erfindung ist anhand des Beispiels verdeutlicht, das in den Abb. 6A-6C gezeigt wird, das Verläufe von der abweichenden Beschleunigung (DACCEL) zeigt, die aus den PIP-Intervalldauern eines Sechszylindermotors, der bei 4000 Umin&supmin;¹ und leichter Last läuft, bestimmt werden. DACCEL ist ein grundlegender Erkennungsparameter (manchmal auch als Beschleunigungsabweichung bezeichnet) (beschrieben in den U.S. Patenten 5,095,742 von James et al., 5,044,194 von James et al., 5,044,195 von James et al. und 5,109,695 von James et al.), der eng mit der Beschleunigung der Kurbelwelle verknüpft ist, was sich in Wechseln der PIP-Intervallgeschwindigkeiten Vi zeigt.
Abb. 6A zeigt DACCEL, ohne jegliche Korrektur von Vi berechnet. Die regelmäßig in der Datei hervorgerufenen Fehlzündungen sind bei dieser Geschwindigkeit und Last nur zu einem sehr geringen Ausmaß über dem Rauschen erkennbar. Das Auftreten von Fehlzündungen kann über das K-COIL-Signal 602 bestimmt werden (unter dem DACCEL-Verlauf in Abb. 6A-6C gezeigt), das absichtlich ausgelöste Fehlzündungen (als vertikale Spitze 604 gezeigt) aufzeichnet.
Abb. 6B zeigt einige Verbesserungen im Signal-Rauschabstand derselben Punkte, nachdem Korrekturfaktoren für das Radprofil auf die gemessenen Geschwindigkeiten angewendet wurden, wie im Patent von Dosdall et al. Beschrieben wird. Die Korrektur von Profilfehlern liefert in diesem Fall nur eine bescheidene Verbesserung der Signalqualität, da das Rad am Motor, das zur Erzeugung dieser Daten verwendet wurde, ziemlich genau war. Die Anwendung von Korrekturfaktoren, um Torsionsschwankungen wie oben beschrieben auszugleichen, liefert jedoch eine wesentlich größere Verbesserung, was nach der vorliegenden Erfindung zum besser unterscheidbaren Fehlzündungssignal wie in Abb. 6C gezeigt führt.
Tests bei anderen Drehzahlen und Lasten führen zu ähnlichen Verbesserungen, jedoch aufgrund der verschiedenen Torsionseffekte mit leicht anderen Korrekturparametern. Wie oben erklärt kann eine Referenztabelle in Speicher 122 geschaffen werden, um die Interpolation der geeigneten Korrekturfaktoren während der Motor läuft bei jeder Drehzahl und Last zu ermöglichen.
Es gibt alternative Formen des Ausgleichs von Radunregelmäßigkeiten durch Torsionseffekte, für die gezeigt werden kann, daß sie mathematisch äquivalent zu den oben beschriebenen multiplikativen Korrekturen sind. So können zum Beispiel auf der Basis von unberichtigten Geschwindigkeiten berechnete Beschleunigungswerte durch additive Korrekturen Dk wie in Gleichung (2.0) verändert werden:
Ai = Ai +Dk (Gleichung 2.0)
wobei diese Korrekturen in sehr guter Näherung von den multiplikativen Korrekturfaktoren Ck nach Gleichung (2.1) abhängen:
Dk = Vi²/Δθ&sub0;(Ck≠1 - Ck) (Gleichung 2.1)
Hierbei ist Δθ&sub0; der Winkelabstand zwischen Meßpunkten auf dem Rad des Positionsgebers. Obwohl diese Korrekturen der Geschwindigkeit additiv und nicht multiplikativ sind, wird durch Gleichung (2.1) gezeigt, daß die Werte Dk durch den Term Vi² stark von der Motordrehzahl abhängen, sogar wenn die Ck-Faktoren selbst drehzahlunabhängig sind (wie im Fall der Korrektur für die Radprofile). Daher wird es bevorzugt, die Korrekturen bei der Berechnung der Geschwindigkeit anstatt der Beschleunigung durchzuführen. Jedoch erfüllen beide Verfahren die Aufgabe, Effekte auszugleichen, die die Qualität des Signals zur Fehlzündungserkennung durch Kurbelwellendrehzahlschwankungen vermindern.

Claims

1. Ein Verfahren, um während des Betriebs eines Verbrennungsmotors torsionsbedingte Störungen in gemessenen Kurbelwellendrehzahlen auszugleichen und eine berichtigte Kurbelwellendrehzahl zu erhalten, wobei dieser Verbrennungsmotor mit einer Vielzahl von Zylindern in einem Serienfahrzeug eingebaut ist und dieses Serienfahrzeug auch eine Tabelle in einer mit einem Prozessor verbundenen Speichervorrichtung besitzt, wobei diese Tabelle eine Vielzahl von Korrekturfaktoren für die Torsion, die offlme erzeugt und in der Speichervorrichtung abgelegt wurden, sowie einen Korrekturfaktor für das Radprofil enthält und dieses Verfahren folgende Schritte beinhaltet:

Betreiben des Motors bei einer bestimmten Geschwindigkeit und Last;

Messen der Geschwindigkeit und Last des Motors;

Auslesen aus den Referenztabellen der Korrekturfaktoren für Torsionseffekte, die dieser Drehzahl und Last entsprechen;

Auslesen aus den Referenztabellen des Korrekturfaktors für das Profil des Rads des Positionsgebers, der diesem Verbrennungsmotor entspricht, für den er erzeugt wurde; und

Berechnung der berichtigten Geschwindigkeit des Motors unter Verwendung dieser Korrekturfaktoren für Torsionseffekte und dieses Korrekturfaktors für das Profil das Rads des Positionsgebers.

2. Ein Verfahren nach Anspruch 1, worin dieser Schritt des Auslesens dieser korrekturfaktoren für Torsionseffekte aus der Referenztabelle den Schritt der Durchführung mehrdimensionaler Interpolierungen beinhaltet, um Korrekturfaktoren entsprechend der gemessenen Geschwindigkeit und Last zu erhalten.

3. Ein Verfahren nach Anspruch 1, worin dieser Schritt der Berechnung der berichtigten Geschwindigkeit des Motors die Anwendung der folgenden Formel beinhaltet:

Vi' = C BkVi

worin: Vi die unberichtigte Geschwindigkeit des i-ten Intervalls einer bestimmten Zylinderzündung, Bk der Korrekturfaktor für das Profil des Rads des Positionsgebers und Ck* der aktuelle Wert des Korrekturfaktors für Torsionseffekte, ausgelesen aus der Referenztabelle, und k die Zylindernummer ist, die zum i-ten Intervall gehört.