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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung von Verbrennungsaussetzern
bei Verbrennungsmotoren, wie sie für den Antrieb von Kraftfahrzeugen
eingesetzt werden.
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Verbrennungsaussetzer
führen
zu einem Anstieg der im Betrieb des Verbrennungsmotors emittierten
Schadstoffe und können
darüber
hinaus zu einer Schädigung
eines Katalysators im Abgastrakt des Motors führen. Zur Erfüllung gesetzgeberischer Forderungen
zur On-Board-Überwachung
abgasrelevanter Funktionen ist eine Erkennung von Verbrennungsaussetzern
im gesamten Drehzahl- und Lastbereich notwendig. In diesem Zusammenhang
ist es bekannt, daß beim
Betrieb mit Verbrennungsaussetzern charakteristische Änderungen
des Drehzahlverlaufs des Verbrennungsmotors gegenüber dem
Normalbetrieb ohne Aussetzer auftreten. Durch den Vergleich dieser
Drehzahlverläufe
kann zwischen Normalbetrieb ohne Aussetzer und Betrieb mit Aussetzern
unterschieden werden.
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Ein
Erkennungssystem für
Verbrennungsaussetzer besteht aus den Funktionsblöcken Sensorik
sowie Signalverarbeitung und Klassifikation. Die Sensorik erfaßt bspw.
Segmentzeiten, d.h. Zeiten in denen die Kurbelwelle einen vorbestimmten
Drehwinkelbereich überstreicht.
Im Block Signalverarbeitung werden aus den Segmentzeiten Laufunruhewerte
gebildet, aus denen Verbrennungsaussetzer bspw. durch Schwellwertvergleiche
oder auch durch Anwendung neuronaler Netze oder anderer bekannter Methoden
erkannt werden.
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Ein
auf der Basis von Schwellwertvergleichen arbeitendes System ist
bereits aus der
DE
41 38 765 A1 bekannt. Nach diesem bekannten Verfahren ist
einem bestimmten Bereich der Kolbenbewegung jedes Zylinders typischerweise
ein als Segment bezeichneter Kurbelwellenwinkelbereich zugeordnet. Realisiert
werden die Segmente bspw. durch Markierungen auf einem mit der Kurbelwelle
gekoppelten Geberrad. 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 aufeinanderfolgenden Segmentzeiten ein Maß für die Laufunruhe des Motors
berechnet, wobei zusätzlich langsame
dynamische Vorgänge,
zum Beispiel der Anstieg der Motordrehzahl bei einer Fahrzeugbeschleunigung,
rechnerisch kompensiert werden. Ein auf diese Weise für jede Zündung berechneter
Laufunruhewert wird ebenfalls zündungssynchron
mit einem vorbestimmten Schwellwert verglichen. Ein Überschreiten
dieses gegebenenfalls von Betriebsparametern wie Last und Drehzahl
abhängigen Schwellwerts
wird als Aussetzer gewertet.
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Die
Zuverlässigkeit
des bekannten Verfahrens hängt
entscheidend von der Segmentzeitermittlung und damit von der Genauigkeit
ab, mit der die Markierungen auf dem Geberrad bei der Fertigung hergestellt
werden können.
Diese mechanischen Ungenauigkeiten können rechnerisch eliminiert
werden. Dazu ist es aus der
DE
41 33 679 A1 bekannt, im Schiebebetrieb die Segmentzeiten
von bspw. drei unterschiedlichen Geberradsegmenten zu erfassen.
Eines der drei Segmente wird als Referenzsegment betrachtet. Die
Abweichungen der Segmentzeiten der beiden übrigen Segmente zur Segmentzeit
des Referenzsegments werden ermittelt. Aus den Abweichungen werden
Korrekturwerte so gebildet, dass die mit den Korrekturwerten verknüpften, im
Schiebebetrieb ermittelten Segmentzeiten untereinander gleich sind.
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Dieses
Verfahren erfordert damit zunächst einen
gewissen Aufwand bei der Steuergeräteprogrammierung und Rechenaufwand
im Betrieb des Fahrzeugs.
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Ferner
ist aus der
DE 195
35 094 A1 ein weiteres Verfahren bekannt, bei dem ausgehend
von einer Überlagerung
von Sensorsignalen der Kurbelwelle und einem Referenzsignal Merkmalssignale
verschiedener Ordnung gewonnen werden, wobei den verschiedenen Ordnungen
eine bestimmte Aussetzercharakteristik zugeordnet werden kann. Überschreiten
Merkmalssignale vorgegebene Schwellenwerte, so können ausgehend von diesen Überschreitungen
beispielsweise Daueraussetzer an einem oder mehreren Zylinder festgestellt
werden.
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Aus
der JP 7-19 103 A ist ein Verfahren bekannt, bei dem zwischen Aussetzern
und einer Schlechtwegstrecke unterschieden wird, wobei bei einer
erkannten Schlechtwegstrecke der vermeintlich erkannte Verbrennungsaussetzer
unbeachtet bleibt.
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Die
JP 5-340 294 A versucht fehlerhafte Aussetzererkennungen zu vermeiden,
indem periodisch voraussichtliche Kurbelwellengeschwindigkeiten
berechnet werden, und verschiedene Segmentzeiten mit verschiedenen
Schwellenwerten verglichen und Winkelschwankungen festgestellt werden.
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Die
US 5 471 870 A offenbart
eine Aussetzererkennung, bei der ein erster Zähler die Anzahl der Aussetzer
für eine
bestimmte Anzahl von Verbrennungszyklen und ein zweiter Zähler der
Aussetzer innerhalb bestimmter Perioden zählt, wobei durch Vergleichen
der Zähler
mit verschiedenen Schwellenwerten zwischen Aussetzern und abnormalen Verbrennungszuständen unterschieden
werden kann.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht in der Angabe eines einfachen Verfahrens
zur Erkennung von Verbrennungsaussetzern, das von den mechanischen
Ungenauigkeiten des Geberrades unabhängig ist.
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Ein
wesentliches Element der Erfindung besteht darin, anstelle von absoluten
Laufunruhewerten die Änderungen
gefilterter Laufunruhewerte auszuwerten. Dieser Vorgehensweise liegt
die Erkenntnis zugrunde, dass insbesondere Daueraussetzer in einem
oder mehreren Zylindern eine schnelle und charakteristische Änderung
der Laufunruhe bewirken. Diese Änderungen
und damit die Aussetzer können mit
den nachfolgend beschriebenen Verfahren erkannt werden. Da nur Änderungen
von Absolutwerten der Laufunruhe ausgewertet werden, fallen systematische
Störanteile
bei der Auswertung heraus. Das erfindungsgemäße Verfahren ist damit insbesondere unabhängig von
den Ungenauigkeiten des Geberrades.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird in der folgenden Beschreibung mit Bezug auf die
Figuren erläutert.
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Im
einzelnen zeigt 1 das technische Umfeld der
Erfindung. 2 stellt einen zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
geeigneten Rechner dar. 3 verdeutlicht
das bekannte Prinzip der Bildung von Segmentzeiten als Basis eines
Maßes
für die
Laufunruhe auf der Basis von Drehzahlmessungen und verdeutlicht,
wie ein Laufunruhewert durch Geberradeinflüsse verfälscht werden kann. 4 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung in Funktionsblockdarstellung. 5 offenbart
Alternativen zu einem Funktionsblock aus der 4 und 6 zeigt
Signalverläufe über der
Zeit, wie sie bei der Ausführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens auftreten.
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1 zeigt
eine Brennkraftmaschine 1 mit einer Sensorik aus einem
Winkelgeberrad 2, das Markierungen 3 trägt, und
einem Winkelsensor 4 sowie einen die Signalverarbeitung
symbolisierenden Block 5 und ein Mittel 6 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.
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Die
Segmentzeiten werden in den folgenden Stufen weiterverarbeitet.
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Der
dazu verwendete Rechner kann bspw. so aufgebaut sein, wie in 2 dargestellt.
Danach vermittelt eine Recheneinheit 2.1 zwischen einem Eingabeblock 2.2 und
einem Ausgabeblock 2.3 unter Verwendung von in einem Speicher 2.4 abgelegten Programmen
und Daten.
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Die 3a zeigt
eine Einteilung des Winkelgeberrades in zwei 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 vierzylindrigen Verbrennungsmotors (z=4)
zugeordnet, der im Verbrennungstakt dieses Zylinders liegt. Um diesen
Punkt herum ist ein Drehwinkelbereich wk definiert, der sich in
diesem Beispiel über
die Hälfte
der Markierungen des Winkelgeberrades erstreckt. Analog sind den
Verbrennungstakten der übrigen
Zylinder Winkelbereiche w1 bis w4 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 w3 des dritten Zylinders usw. Die Lage,
Länge und
Anzahl 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 Merkmalsextraktionstufe
ist daher vorteilhaft, weil es in einer Motorsteuerung aus bereits
vorhandenen Signalen berechnet werden kann.
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Statt
der Segmentzeiten kann als Eingangssignal auch der einzelnen Kurbelwellenwinkelbereichen
zugeordnete mittlere Drehzahlverlauf genutzt werden.
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Beispielhaft
wird für
die folgenden Ausführungen
die oben eingeführte
Teilung mit z Segmenten pro Nockenwellenumdrehung genutzt.
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Weitere
Eingangssignale der Merkmalsextraktionstufe sind Motordrehzahl n,
Last t1, Temperatur T und ein Signal b zur Identifikation des ersten
Zylinders.
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In
der 3b sind die Zeiten ts aufgetragen, in denen die
Winkelbereiche durch die Drehbewegung der Kurbelwelle überstrichen
werden. Dabei ist zunächst
eine mechanische Ungenauigkeit des Geberrades angenommen, die zur
Verlängerung
jeder zweiten Segmentzeit führt.
Die durchgezogene Linie stellt den sich dann einstellenden Segmentzeitverlauf im
aussetzerfreien Betrieb dar. In der linken Hälfte der 3b ist
bei der punktierten Linie ein Aussetzer in einem Zylinder angenommen,
dessen Segmentzeit ohnehin bereits durch Geberradeinflüsse vergleichsweise
lang ist. Dagegen stellt die rechte Hälfte den Fall eines Aussetzers
in einem Zylinder dar, dessen Segmentzeiten durch Geberadeinflüsse vergleichsweise
zu kurz gemessen werden. Der mit dem Aussetzer verbundene Drehmomentausfall
führt jeweils
zu einem Anstieg der zugehörigen
Zeitspannen ts. Die relative Verlängerungen d2 und d4 der Segmentzeiten
wird als gleich angenommen.
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Bildet
man die Laufunruhewerte durch Differenzen von aufeinanderfolgenden
Segmentzeiten verschiedener Zylinder, ergibt sich für den Aussetzer im
linken Teil eine vergleichsweise große Differenz d1, die die Schwankungsbreite
d5 der Geberraddeinflüsse
deutlich übersteigt.
Dagegen ergibt sich für den
rechten Teil eine von der Schwankungsbreite d5 u.U. nur schwer zu
unterscheidende Differenz d3.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der 4 in Form von Funktionsblöcken dargestellt. Die
von der Sensorik gelieferten Segmentzeiten werden in bekannter weise
zu zylinderindividuellen Laufunruhewerten lut(i) verarbeitet, wobei
der Index i aufeinanderfolgende Zündungen in einem Zylinder numeriert.
Die lut(i) werden in einem Block 1 zu Werten flut(i) tiefpaßgefiltert.
Diese Filterung bewirkt eine starke Dämpfung von Einzelaussetzersignalen
im Vergleich zum Signal eines Daueraussetzers. Als Daueraussetzer
gilt dabei näherungsweise
jede Folge von Einzelaussetzern, bei der dauernd oder auch vorübergehend
die Zahl der aussetzenden Verbrennungen die Zahl der regulären Verbrennungen überschreitet.
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In
einem Block 2 werden Differenzen dflut(i) der Ausgangswerte
flut(i) bspw. gemäß der Vorschrift
dflut(i)
= flut(i)-flut(i-k) gebildet, wobei k eine ganze Zahl angibt. Systematische
Störeinflüsse, die
die flut(i) Werte eines Zylinders beeinflussen, treten sowohl bei
der Zündung
mit Index i als auch bei der Zündung
mit Index i-k auf. Sie fallen daher bei der Differerenzbildung hinaus,
so daß die
Differenz dflut(i) bspw. von den systematischen Einflüssen von Geberradungenauigkeiten
unabhängig
ist.
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In
einem Block 3 wird die so gebildete Differenz mit einem
Schwellwert flur verglichen. Wenn die Änderung dflut diesen positiven
Schwellwert überschreitet,
wird dies im Rahmen der Erfindung als zwar notwendige, aber noch
nicht hinreichende Bedingung für
das Auftreten eines Daueraussetzers gewertet. Diese Schwellwertüberschreitung
wird damit zunächst
nur als Indiz für
das Auftreten von Aussetzern betrachtet. Mit anderen Worten: Aussetzer
werden zunächst
nur vermutet. Dabei hält
die Vermutung an, bis die Differenz dflut einen negativen Schwellwert
unterschreitet (Block 5). Dies ist typischerweise dann
der Fall, wenn ein vorübergehend
auftretender Daueraussetzer verschwindet. Das Auftreten und Verschwinden
der Vermutung kann bspw. durch das Setzen (S) und Rücksetzen
(R) eines Flip/Flop-Schalters oder eines entsprechenden Programmflags
realisiert werden. Die eigentliche Aussetzererkennung findet nur
bei gesetztem Flag, also bei bestehender Vermutung statt. Überschreitet
der gefilterte Absolutwert flut bei bestehender Vermutung einen
weiteren Schwellwert lur im Block 6, gilt dies als hinreichende
Bedingung für
das Auftreten von Aussetzern. Derartige Schwellwertüberschreitungen werden
daher als Aussetzer gewertet. Dabei wird der Schwellwert lur bei
nicht gesetzter Vermutung durch die Blöcke 7, 8 und 9 fortlaufend
aus den Laufunruhewerten selbst gebildet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel
setzt sich der fortlaufend gebildete Schwellwert additiv (Block 9)
aus dem gefilterten Laufunruhewert flut, bereitgestellt durch den
Block 7 und einem Offset lurkf, bereitgestellt durch den
Block 8 zusammen. Dabei ist Block 7 als steuerbarer
Filter realisiert, der in Abhängigkeit
von der Vermutung beeinflußt
werden kann. Bei nicht gesetzter Vermutung unterscheidet sich der
gefilterte Laufunruhewert damit um den Offset lurkf vom Schwellwert
lur. Bei nicht gesetzter Vermutung läuft der Schwellwert lur daher
immer mit dem gefilterten Laufunruhewert mit, so daß die Aussetzererkennung
gewissermaßen
beliebig unempfindlich ist. Wird dagegen die Vermutung gesetzt, wird
erfindungsgemäß die Empfindlichkeit
der Aussetzererkennung so beeinflußt, daß jetzt eine Wertung von Aussetzern
erfolgen kann. Im dargestellten Ausführungsbeipiel erfolgt diese
dadurch, daß das Setzen
der Vermutung die Aktualisierung des Filterausgangswerts flut' stoppt. Der Referenzwert
lur wird dadurch bei gesetzter Vermutung vom gefilterten Laufunruhewert
flut entkoppelt, bspw. eingefroren. Änderungen von flut werden in
diesem Fall als Aussetzer gewertet, wenn ihr Abstand zum eingefrorenen Schwellwert
den Offset flurk überschreitet.
Mit anderen Worten: Das erfindungsgemäße Verfahren schließt in einer
ersten Stufe aus der Änderung
von Laufunruhewerten auf die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von
Aussetzern. Solange die Änderungen innerhalb
einer vorbestimmten Bandbreite bleiben, was auf eine geringe Wahrscheinlichkeit
des Auftretens von Aussetzern hindeutet, wird ein Schwellwert fortlaufend
aus den Laufunruhewerten gebildet. Dabei ist die eigentliche Aussetzererkennung
nicht aktiviert und damit die Aussetzererkennung beliebig unempfindlich.
Verläßt die Änderung
der Laufunruhewerte dagegen das Band, wird die Empfindlichkeit der
Aussetzererkennung so beeinflußt,
daß die
sichere Erkennung von Daueraussetzern möglich wird.
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Dies
ist in der 6 dargestellt, die verschiedene
Signalverläufe über der
Zeit bzw über
dem Zündtaktindex
i offenbart. Der hohe Signalpegel in der 6a markiert
Zeiträume
in denen Verbrennungsaussetzer stimuliert werden. 6b zeigt
resultierende Laufunruhewerte.
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6c zeigt das die durch die Schwellwerte flur
und -flur definierte Bandbreite und das Signal dflut, das sich als
Folge des Ausssetzerverlaufs aus der 6a einstellt. 6d zeigt, wie die Vermutung beim Überschreiten
von flur gesetzt und beim Unterschreiten von -flur zurückgesetzt
wird. Der hohe Signalpegel der 6d steht
daher für
Zeiträume.
in denen die Vermutung gesetzt ist.
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6e zeigt den gefilterten flut, der sich
außerhalb
der gesetzten Vermutung um den Offset lurkf vom Schwellwert lur
unterscheidet. 6e verdeutlicht weiterhin,
wie der Schwellwert bei gesetzter Vermutung eingefroren wird und 6f zeigt, wie Schwellwertüberschreitungen
bei gesetzter Vermutung als Aussetzer gewertet werden.
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5a und
b offenbaren Alternativen zur Gewinnung des Signals dflut. Nach 5a wird
dflut als Differenz eines gefilterten lut und eines ungefilterten
lut gebildet. Nach 5b wird die Differenz zwischen
den Ausgangssignalen verschieden schneller Tiefpaßfilter
gebildet.