DE19610215A1 - Verbrennungsaussetzererkennungsverfahren - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung von Ver­ brennungsaussetzern bei Verbrennungsmotoren, wie sie für den Antrieb von Kraftfahrzeugen eingesetzt werden.

Verbrennungsaussetzer führen zu einem Anstieg der im Betrieb des Verbrennungsmotors emittierten Schadstoffe und können darüber hinaus 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 auf dieser Basis arbeitendes Verfahren ist bereits aus der DE-OS 41 38 765 bekannt.

Nach diesem bekannten Verfahren ist einem bestimmten Bereich der Kolbenbewegung jedes Zylinders ein als Segment bezeich­ neter Kurbelwellenwinkelbereich zugeordnet. Realisiert wer­ den die Segmente bspw. durch Markierungen auf einem mit der Kurbelwelle gekoppelten Geberrad. Die Segmentzeit, in der die Kurbelwelle diesen Winkelbereich überstreicht, hängt un­ ter 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. Aussetzende Zylinder verursachen je nach Art der Berechnung große bzw. positive Laufunruhewerte, verbrennende Zylinder verursachen kleine bzw. negative Laufunruhewerte. Durch Vergleich dieser Werte mit einer von Last und Drehzahl abhängigen Schwelle werden aussetzende von verbrennenden Zylindern unterschieden.

Aus der DE OS 41 18 580 ist in diesem Zusammenhang bekannt, daß die Schwelle, mit der Aussetzer einzelner Zylinder erkannt werden sollen, reduziert werden muß, wenn simultan Aussetzer in mehreren Zylindern auftreten. Nach diesem Stand der Technik wird der Schwellwert für die Erkennung einzelner aussetzender Zylinder im Fall von Mehrfachaussetzern unabhängig von der Zahl der aussetzenden Zylinder um einen festen Betrag oder Faktor reduziert.

Vor dem Hintergrund gesetzgeberischer Forderungen nach einer sicheren Erkennung von Aussetzern in allen Motorbetriebspunkten besteht die Aufgabe der Erfindung darin, die Sicherheit der Aussetzererkennung insbesondere für mehrere aussetzende Zylinder weiter zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die Erfindung baut auf den Erkenntnis auf, daß die über eine Nockenwellenumdrehung gebildete Summe der Laufunruhewerte sowohl im Normalbetrieb ohne Aussetzer als auch im Betrieb mit Aussetzern zu Null wird. Bei Daueraussetzern in einem speziellen Zylinder steigt der zugeordnete Laufunruhewert an, während die anderen absinken bzw. negativ werden. Dabei ist der Abstand zwischen den positiven Laufunruhewerten aussetzender Zylinder und den negativen Laufunruhewerten der regulär verbrennenden Zylinder näherungsweise von der Zahl der aussetzenden Zylinder unabhängig. Die Absolutwerte der Laufunruhewerte der zylinderindividuellen Laufunruhewerte werden dagegen mit steigender Anzahl der von Aussetzern betroffenen Zylinder kleiner, so daß der Schwellwert für die Erkennung einzelner Aussetzer entsprechend anzupassen ist.

Erfindungsgemäß werden diese Erkenntnisse dahingehend verwertet, daß die Referenzschwelle LUR, die zur Erkennung einzelner Aussetzer genutzt wird, in Abhängigkeit von den Laufunruhewerten so bestimmt wird, daß die Referenzschwelle vom System selbst auf der Basis der erfaßten Laufunruhewerte berechnet wird und gleitend an die Zahl der aussetzenden Zylinder angepaßt wird. Damit ist der Vorteil verbunden, daß die Festlegung der Referenzschwellen in einer Applikationsphase unkritischer wird, da bspw. keine vergleichsweise grobe Umschaltung zwischen großen und kleinen Schwellen auftritt. Letztlich stellt sich eine zuverlässigere Aussetzererkennung für mehrere aussetzende Zylinder insbesondere in kritischen Betriebsbereichen (hohe Drehzahl, kleine Last) ein.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.

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 verdeutlicht den physikalischen Hintergrund und die Wirkung der Erfindung anhand von Signalverläufen, Fig. 5 offenbart ein Flußdiagramm als Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens und die Fig. 6 und 7 offenbaren Ausführungsbeispiele der Erfindung in Funktionsblockdarstellung.

Fig. 1 zeigt eine Brennkraftmaschine 1 mit einem Winkelgeberrad 2, das Markierungen 3 trägt, sowie einen Winkelsensor 4 und ein Steuergerät 5. 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. Diese Zeitdauern werden in dem als Rechner realisierten Steuergerät 5 zu einem Maß LUT für die Laufunruhe der Brennkraftmaschine weiterverarbeitet. Treten Aussetzer auf, kann bspw. eine Fehlerlampe 6 im Blickfeld des Fahrers eingeschaltet werden. Der dazu verwendete Rechner kann bspw. so aufgebaut sein, wie in Fig. 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.

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 zuge­ ordnet, der im Verbrennungstakt dieses Zylinders liegt. Um diesen Punkt herum ist ein Drehwinkelbereich ϕk definiert, der sich in diesem Beispiel über ein Viertel der Markierungen des Winkelgeberrades erstreckt. Analog sind den Verbrennungstakten der übrigen Zylinder Winkelbereiche ϕ1 bis ϕ8 zugeordnet, wobei hier vom Viertaktprinzip ausgegangen wird, bei dem sich die Kurbelwelle für einen vollständigen Arbeitszyklus zweimal dreht. Daher entspricht beispielsweise der Bereich ϕ1 des ersten Zylinders dem Bereich ϕ5 des fünften Zylinders usw. Die zu einer Kurbelwellenumdrehung zugehörigen Winkelbereiche können voneinander getrennt sein, sich aneinander anschließen oder auch überlappen. Im ersten Fall gibt es Markierungen, die keinem Winkelbereich zugeordnet sind, im zweiten Fall gehört jede Markierung zu genau einem Winkelbereich und im dritten Fall können jeweils dieselben Markierungen verschiedenen Winkelbereichen zugeordnet sein. Beliebige Längen und Lagen der Winkelbereiche sind somit möglich.

In der Fig. 3b sind die Zeiten ts aufgetragen, in denen die Winkelbereiche durch die Drehbewegung der Kurbelwelle überstrichen werden. Dabei ist ein Aussetzer im Zylinder k angenommen. Der mit dem Aussetzer verbundene Drehmomentausfall führt zu einem Anstieg der zugehörigen Zeitspanne ts. Die Zeitspannen ts stellen damit bereits ein Maß für die Laufunruhe dar, das prinzipiell zur Erkennung von Aussetzern geeignet ist. Durch eine geeignete Verarbeitung der Zeitspannen ts, insbesondere durch die Bildung von Differenzen benachbarter Zeitspannen und Normieren dieser Differenzen auf die dritte Potenz der Zeitspanne tsi zu einem Zündtakt mit Index i erhält der Laufunruhewert die Dimension einer Beschleunigung und weist, wie sich empirisch gezeigt hat, ein verbessertes Signal/Rausch-Verhältnis auf.

Fig. 3c verdeutlicht den Einfluß von Drehzahländerungen auf die Erfassung der Zeitdauern ts. Dargestellt ist der Fall einer Drehzahlabnahme, wie sie typischerweise im Schiebebetrieb eines Kraftfahrzeuges auftritt. Zur Kompensation dieses Effektes, der sich in einer verhältnismäßig gleichförmigen Verlängerung der erfaßten Zeiten ts äußert, ist es beispielsweise bekannt, einen Korrekturterm K zur Dynamikkompensation zu bilden und so bei der Berechnung des Laufunruhewertes zu berücksichtigen, daß der Verlängerungseffekt kompensiert wird.

Ein derart korrigierter Laufunruhewert für den Zündtakt i eines z-zylindrigen Motors kann, wie in Fig. 3c dargestellt, bspw. nach folgender Vorschrift berechnet werden:
LUT(i) = Basisterm B - Korrekturterm K zur Dynamikkompensa­ tion

mit z = Zahl der Zylinder der Brennkraftmaschine.

Ein Aussetzer in einem Zündtakt mit Index i bewirkt erfahrungsgemäß eine Verlängerung der nachfolgenden Segmentzeit ts(i+1). Der Basisterm B wird daher nach dieser Art der Berechnung bei einem Aussetzer deutlich positiv. Da die Bilanz aller Beschleunigungen bzw. Laufunruhewerte in einem vollständigen Arbeitszyklus im stationären Betrieb gleich Null ist, werden die Laufunruhewerte der regulär verbrennenden Zylinder leicht negativ, so daß sich in der Summe die Null ergibt. Die Laufunruhewerte der aussetzenden Zylinder einerseits und der regulär verbrennender Zylinder andererseits liegen jeweils in einem engen Band. Der Abstand zwischen beiden Bändern hängt vom Füllungsgrad des Motors ab. Das mittlere Niveau der Laufunruhewerte verschiebt sich je nach Anzahl der aussetzenden Zylinder zu kleineren Werten hin.

Diese Zusammenhänge werden durch die Fig. 4 verdeutlicht. Diese zeigt in den schraffierten Bereichen die Verteilung von zylinderindividuellen Laufunruhewerten für die Fälle

• a) aussetzerfreier Betrieb,
• b) Aussetzer in einem einzelnen Zylinder
• c) Aussetzer in mehreren, z. B. in zwei Zylindern einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine.

Im aussetzerfreien Betrieb schwanken die zylinderindividuellen Laufunruhewerte innerhalb einer gewissen Bandbreite um einen Mittelwert herum.

Treten Aussetzer in einem Zylinder auf, führt dies zu der dargestellten Bandaufspaltung. Dabei liegen die betragsmäßig erhöhten Laufunruhewerte des aussetzerbehafteten Zylinders in der Darstellung der Fig. 4 in dem oberen Band. Das Band der Laufunruhewerte der aussetzerfreien Zylinder verschiebt sich etwas nach unten und zwar gerade soweit, daß der Mittelwert aus allen Laufunruhewerten im wesentlichen konstant bleibt. Die Ursache für diese Konstanz liegt darin, daß bei gleichbleibender Drehzahl die Bilanz aller Segmentzeiten/Laufunruhewerte gleich Null ist.

Im Fall c zeigt sich der Verschiebungseffekt noch deutlicher, da hier die durch Aussetzer erhöhten Laufunruhewerte mehrerer Zylinder durch gegenläufig veränderte Laufunruhewerte der nicht aussetzenden Zylinder kompensiert werden.

Ein wesentliches Element der Erfindung besteht darin, den Referenzwert zur Erkennung von Aussetzern mit dem Niveau wenigstens eines der Bänder zu verknüpfen. Auf diese Weise wird der Schwellwert gewissermaßen gleitend mit dem je nach Zahl und Muster der aussetzenden Zylinder variierenden Niveau wenigstens eines Bandes mitgeführt. Durchqueren einzelne Laufunruhewerte den gleitend mitgeführten Schwellwert, wird dies als Aussetzer gewertet.

Das Flußdiagramm der Fig. 5 veranschaulicht diese Vorgehensweise. In einem Schritt S1 werden Laufunruhewerte LUT ermittelt. In einem Schritt S2 wird ein Maß für das Niveau wenigstens einer Teilmenge dieser Laufunruhewerte ermittelt. Dabei kann eine Teilmenge bspw. das Band der Werte der aussetzenden Zylinder oder das Band der Werte der nicht aussetzenden Zylinder umfassen. In einem Schritt S3 wir ein Referenzwert LUR für die Erkennung einzelner Aussetzer durch Verknüpfung eines Offsets mit dem genannten Maß gebildet. Im Schritt S4 findet ein Vergleich der einzelnen Laufunruhewerte mit dem Referenzwert LUR statt. Referenzwertdurchgänge werden in einem Schritt S5 als Aussetzer gewertet. Bei hinreichender Häufigkeit der Referenzwertdurchgänge erfolgt die Abspeicherung oder Anzeige einer Fehlerinformation im Schritt S6.

Ein Ausführungsbeispiel dieses erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch die Funktionsblockdarstellung der Fig. 5 offenbart.

Dazu werden in einem Block 6.1 jeweils die Mittelwerte luapm der positiven und die Mittelwerte luanm der negativen Laufunruhewerte über eine Nockenwellenumdrehung gebildet. Nach der Bildung der Differenz dluam = luapm - luanm dieser Mittelwerte im Block 6.2 erfolgt eine Überprüfung darauf, ob die auch als Bandabstand interpretierbare Differenz dluam ein vorgegebenes Ausmaß dluamr überschreitet. Dieses ist, wie ein Blick auf die Fig. 4 zeigt, beim Auftreten von Aussetzern der Fall, während im aussetzerfreien Betrieb keine Bandaufspaltung auftritt. Eine Überschreitung des Schwellwertes dluamr wird daher gewissermaßen als erste Bedingung für Auftreten von Aussetzern gewertet. Der Block 6.4 dient zur Bildung des Offsetwertes FDLUAR, der bspw. zu 70% des Bandabstandes berechnet werden kann. Im Block 6.5 wird dieser Offsetwert mit dem Mittelwert luanm der negativen Laufunruhewerte bspw. additiv zu einem Referenzwert luarnm verknüpft. Mit anderen Worten: Der Referenzwert luarnm ist gewissermaßen an das Niveau einer Teilmenge der Laufunruhewerte angebunden. Im Block 6.6 erfolgt ein Vergleich der einzelnen Laufunruhewerte mit dem so gebildeten Referenzwert, ggf. eine Häufigkeitsüberprüfung der Referenzwertdurchgänge und ein Einschalten einer Fehlerlampe oder das Abspeichern einer Fehlerinformation.

Ein weiteres Ausführungsbsp. ist in der Fig. 7 dargestellt. Im Unterschied zum Ausführungsbsp. der Fig. 6 wird hier nicht der Mittelwert eines Bandes als Maß für das Niveau einer Teilmenge der Laufunruhewerte genutzt. Statt dessen werden in einem Block 7.1 zylinderindividuell Mittelwerte der Laufunruhewerte der individuellen Zylinder gebildet. In einem Block 7.2 wird das Minimum luamn dieser Mittelwerte ausgewählt und als Maß für das Niveau einer Teilmenge der Laufunruhewerte definiert. Aus diesem Minimum und einem durch Kennfeldzugriff (Block 7.3) ermittelten Offset luaroff wird im Block 7.4 der Referenzwert luar gebildet. Überschreiten die einzelnen Laufunruhewerte diesen Referenzwert im Block 7.5, wird diese als Aussetzer gewertet und ggf. im Block 7.6 ein Fehlersignal ausgelöst. Der Kennfeldzugriff erfolgt abhängig von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine wie Temperatur T, Last tl und/oder Drehzahl n. Der Offset kann bspw. in einer Applikationsphase für einen bestimmten Motortyp festgelegt und als Kennfeld im Speicher 2.4 abgelegt sein.

Als Maß für das Niveau einer Teilmenge ist außer den bisher dargestellten Beispielen grundsätzlich jede Größe geeignet, die den Verlauf eines oder beider Laufunruhebänder aus der Fig. 4 wiedergibt. Ein Beispiel einer solchen Größe ist die gleitend über einen bestimmten Kurbelwellenbereich gebildete Summe der Beträge der Abweichungen der zylinderindividuellen Laufunruhewerte von ihrem Mittelwert. Der Verlauf dieser Größe ist qualitativ durch die mit LUM bezeichnete Linie in der Fig. 4 dargestellt. Mit umgekehrtem Vorzeichen und ggf. mit einem Anpassungsfaktor a gewichtet wird dieser wiederum bspw. additiv mit einem vom Füllungsgrad der Zylinder abhängigen vorbestimmten Referenzwert LUR0 zu einem neuen Referenzwert LUR0-a_*LUM verknüpft.

Allen Ausführungsbeispielen gemeinsam ist, daß die Erkennungsschwelle LUR für Aussetzer in einzelnen Zylindern gleitend an die mit Zahl und Muster der aussetzenden Zylinder variierenden Verhältnisse angepaßt wird.

Auf diese Weise läßt sich, wie aus Fig. 4 ersichtlich, die Erkennungsschwelle LUR für Aussetzer in einzelnen Zylindern gleitend an die mit Zahl und Muster der aussetzenden Zylinder variierenden Verhältnisse anpassen.

Claims (10)

1. Verfahren zur Erkennung von Verbrennungsaussetzern bei mehrzylindrigen Brennkraftmaschinen, bei welchem Verfahren ein Maß für die Laufunruhe der Brennkraftmaschine zylin­ derindividuell gebildet und mit einem Referenzwert verglichen wird, wobei das Maß für die Laufunruhe auf der Basis von Zeiten gebildet wird, in denen die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine vorbestimmte Winkelbereiche überstreicht, und wobei eine Überschreitung des Schwellwertes als Aussetzer gewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Maß für das Niveau einer Teilmenge der Laufunruhewerte ermittelt wird und daß der Referenzwert durch Verknüpfung dieses Maßes mit einem Offset gebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Maß für das Niveau einer Teilmenge der Laufunruhewerte jeweils die Mittelwerte luapm der positiven Laufunruhewerte und/oder die Mittelwerte luanm der negativen Laufunruhewerte über eine Nockenwellenumdrehung gebildet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz dluam = luapm - luanm dieser Mittelwerte gebildet wird und daß als notwendige Bedingung für das Werten von Aussetzern überprüft wird, ob diese auch als Bandabstand interpretierbare Differenz dluam ein vorgegebenes Ausmaß dluamr überschreitet.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Offsetwert so berechnet wird, daß er kleiner als der Bandabstand ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Offsetwert mit dem Mittelwert luanm der negativen Laufunruhewerte additiv zu einem Referenzwert luarnm verknüpft wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zylinderindividuell Mittelwerte der Laufunruhewerte der individuellen Zylinder gebildet werden und das Minimum luamn dieser Mittelwert ausgewählt und als Maß für das Niveau einer Teilmenge der Laufunruhewerte definiert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß aus diesem Minimum und einem durch Kennfeldzugriff ermittelten Offset luaroff der Referenzwert luar gebildet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kennfeldzugriff abhängig von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine wie Temperatur, Last und/oder Drehzahl erfolgt.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Maß für das Niveau einer Teilmenge der Laufunruhewerte eine Größe verwendet wird, die den Verlauf eines oder beider Laufunruhebänder aus der Fig. 4 widerspiegelt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Maß für das Niveau einer Teilmenge der Laufunruhewerte die gleitend über einen bestimmten Kurbelwellenbereich gebildete Summe der Beträge der Abweichungen der zylinderindividuellen Laufunruhewerte von ihrem Mittelwert gebildet wird.