JP3986603B2 - 燃焼ミスファイヤの検出方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、たとえば自動車の駆動に使用される内燃機関における燃焼ミスファイヤ（不点火）の検出方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃焼ミスファイヤは内燃機関の運転中に放出される有害物質を増大させ、さらに排気管内の触媒を損傷させることがある。排気関係機能のオンボードモニタリングに関する法令上の要求を満たすために、全回転速度範囲および全負荷範囲にわたりミスファイヤを検出することが必要である。これに関して、燃焼ミスファイヤがある運転においては、ミスファイヤのない正常運転に対して内燃機関の回転速度曲線に特徴的な変化が現れることがわかっている。この回転速度曲線を比較することにより、ミスファイヤのない正常運転とミスファイヤがある運転とを区別することが可能である。
【０００３】
これに基づいて作動する方法が、ドイツ特許公開第４１３８７６５号から既知である。
【０００４】
この既知の方法によれば、各シリンダのピストン運動の特定範囲に、セグメントとして示されたクランク軸の角度範囲が付属されている。セグメントはたとえば、クランク軸と結合されている伝送車上のマーキングにより形成される。クランク軸がこの角度範囲を通過するセグメント時間はとくに、燃焼サイクルにおいて変換されるエネルギーの関数である。ミスファイヤは、点火に同期して測定されるセグメント時間を上昇させる。既知の方法によれば、セグメント時間の差からエンジンの回転不規則性の尺度が計算され、ここでさらにゆっくり現れる動的過程、たとえば車両の加速時におけるエンジン回転速度の上昇が計算により修正される。このように点火ごとに計算された回転不規則値が、同様に点火に同期して所定のしきい値と比較される。場合により負荷および回転速度のような運転パラメータの関数でもあるこのしきい値を超えたとき、それがミスファイヤとして評価される。
【０００５】
それに応じて、既知の方法の信頼度は、クランク軸の回転速度がセグメント時間から求められるときの精度に依存する。セグメント時間の測定は、製作時に伝送車上にマーキングが形成される精度に依存する。この機械的誤差は計算により排除することができる。これに関しては、ドイツ特許公開第４１３３６７９号から、惰行運転においてクランク軸の１回転につきたとえば３つのセグメント時間を測定することが既知である。３つのセグメントのうちの１つが基準セグメントとみなされる。残りの２つのセグメントのセグメント時間の、基準セグメントのセグメント時間に対する偏差が求められる。この偏差から修正値が形成されるが、修正値と結合された、惰行運転において求められたセグメント時間が相互に等しくなるように修正値が形成される。
【０００６】
したがって、惰行運転以外の正常運転において得られた、修正値と結合されたセグメント時間の偏差は、伝送車の製作誤差とは無関係であり、他の原因を意味している。
【０００７】
測定された回転速度経過からミスファイヤが検出されるとき、ミスファイヤが原因ではない回転速度への他の影響を考慮しなければならない。このような影響の例として、クランク軸の回転運動に重ねられる捩り振動が考慮されなければならない。これはとくに点火運転における高い回転速度において発生し、個々のシリンダのセグメント時間を系統的に延長または短縮させ、これによりミスファイヤの検出をむずかしくしている。この理由から、および個々のエンジンの摩耗または製作誤差の相違に基づき、伝送車を適応させた後においても、セグメント時間のばらつき幅の形で、ミスファイヤが原因ではない基本ノイズが残ることになる。この基本ノイズにより、クランク軸の回転速度に対する個々のミスファイヤの影響が少なければ少ないほど、実際のミスファイヤの区別がむずかしくなる。したがって、ミスファイヤの検出の信頼度は、内燃機関のシリンダの数の増大と共に、および回転速度の増大ならびに負荷の減少と共に低下してくる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
この背景から、シリンダ数が多く、回転速度が高くかつ負荷が小さいときの内燃機関におけるミスファイヤの検出の信頼度をさらに改善し、ミスファイヤの検出を個々のエンジンの相違に迅速かつ正確に適合させることを可能にする方法を提供することが本発明の課題である。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
適合精度に関する本発明の本質的な要素は、点火運転において、すなわち惰行運転以外の正常運転において個々のシリンダの修正値を求めることにある。適合の迅速性に関する他の本質的な要素は、少なくとも２段で行われる適応にあり、この２段適応は、第１段においてミスファイヤ検出を個々のエンジンの相違に迅速に適合させ、第２段においてミスファイヤ検出を個々のエンジンの相違に正確に適合させる。
【００１０】
本発明の一実施態様において、さらに、ミスファイヤ検出の検出感度が少なくとも２つの適応段の関数として設定される。
【００１１】
本発明による方法は、ミスファイヤ検出を離れて、きわめて高速の回転速度の測定が必要なときにおいても使用可能であることは有利である。
【００１２】
以下に本発明の実施態様を図面により詳細に説明する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、マーキング３を有する角度伝送車２ならびに角度センサ４および制御装置５を備えた内燃機関１を示す。内燃機関のクランク軸と結合されている角度伝送車の回転運動は、誘導センサとして形成されている角度センサ４により電気信号に変換され、電気信号の周期性は、マーキング３が角度センサ４を周期的に通過する状況を示している。したがって、信号レベルの立上りと立下りとの間の時間間隔は、クランク軸がマーキングの目盛に対応する角度範囲だけ回転された時間に対応している。この時間間隔は、コンピュータとして形成されている制御装置５において処理されて、内燃機関の回転不規則性に対する尺度Ｌｕｔにさらに変換される。Ｌｕｔの計算の一例が以下に詳細に記載されている。この計算のために使用されるコンピュータは、たとえば図２に示すように構成してもよい。これによると、計算ユニット２．１は入力ブロック２．２と出力ブロック２．３とを接続しかつメモリ２．４内に記憶されているプログラムおよびデータを利用する。
【００１４】
図３ａは角度伝送車の４セグメントへの分割を示し、ここで各セグメントは所定数のマーキングを有している。マーキングＯＴｋは、この実施例における８シリンダ内燃機関のｋ番目のシリンダのピストン運動の上死点に割り当てられ、この上死点はこのシリンダの燃焼サイクル内に存在している。この点の周りに回転角度範囲ψｋが定義され、回転角度範囲ψｋはこの実施例においては角度伝送車のマーキングの１／４の範囲に及んでいる。同様に、残りのシリンダの燃焼サイクルに角度範囲ψ１ないしψ８が割り当てられ、ここでは１つの完全作業サイクルに対しクランク軸が２回転する４サイクル原理から出発している。したがってたとえば、第１のシリンダの範囲ψ１は第３のシリンダの範囲ψ５に対応している等である。
【００１５】
クランク軸の１回転に付属する角度範囲は、相互に分離されていても、相互に接続されていてもまたは相互に重ね合わされていてもよい。第１のケースにおいては、いかなる角度範囲にも付属されないマーキングが存在し、第２のケースにおいては、各マーキングは正確に１つの角度範囲に付属し、第３のケースにおいては、種々の角度範囲に同じマーキングが付属されている。したがって、角度範囲の任意の長さおよび位置が可能である。
【００１６】
図３ｂに、クランク軸の回転運動により角度範囲が通過される時間ｔｓが目盛られている。この場合、シリンダｋにおいてミスファイヤが検出されている。ミスファイヤが発生するとトルクが出力されないので、それに付属の通過時間ｔｓは上昇することになる。したがって、通過時間ｔｓは回転不規則性に対する尺度を既に示しており、この原理はミスファイヤの検出のために適している。時間間隔ｔｓの適切な処理により、とくに隣接する時間間隔の差を形成し、かつこの差を指数ｉを有する点火サイクルにおける時間間隔ｔｓｉの３乗で正規化することにより、回転不規則値は加速度の次元を含み、実験から明らかにされたように、回転不規則値のＳ／Ｎ比は改善される。
【００１７】
図３ｃは回転速度変化の通過時間ｔｓの測定に対する影響を示している。典型例として、自動車の惰行運転において発生するような回転速度低減の例が示されている。測定時間ｔｓが比較的均等に変化しているこの影響を補正するために、たとえば動的補正のための修正項Ｋを形成すること、および回転不規則値を計算するとき上昇（延長）効果が修正されるように修正項Ｋを考慮することが既知である。
【００１８】
８シリンダエンジンの点火サイクルｉに対しこのように修正された回転不規則値Ｌｕｔ（ｉ）はたとえば次式により計算することができる。
【００１９】
【数１】

ｚシリンダに一般化すると、対応する式は次のとおりとなる。
【００２０】
【数２】

ここで （ｚ）＝ 内燃機関のシリンダ数
【００２１】
回転不規則値は他の式でも求めることができる。本発明の本質は、内燃機関の回転運動の時間経過の評価に基づくことである。図４は、８シリンダエンジンの種々の点火サイクルｉ＝１ないし１０に対して、たとえば上記の式により計算された回転不規則値を示している。この場合、番号３を有するシリンダにおいて系統的にグメント時間の上昇が発生し、このセグメント時間の上昇は、この場合、既に回転不規則しきい値のすぐ近くまで到達している。この上昇は、たとえば捩り振動により発生されることもある。捩り振動はとくに高い回転速度において発生し、個々のシリンダのセグメント時間を系統的に延長または短縮させ、これによりミスファイヤの検出をむずかしくしている。この影響の個々のシリンダへの分配は、特定エンジンタイプに対して、特定の負荷／回転速度範囲に対して実験的に決定可能であり、したがってセグメント時間の評価に使用される負荷／回転速度特性曲線群内で与えられる修正値により、この影響を取り除くことができる。
【００２２】
このような修正を使用したミスファイヤの検出過程が、修正値を適応させた本発明による方法の一実施態様の流れ図を示す図５の左側分岐フロー内に示され、この場合、適応とは適合された修正値の学習として理解される。
【００２３】
この実施態様は、上位のエンジン制御プログラムまたはメインプログラムから周期的に呼び出される。流れ図内で何回も発生する変数ａはミスファイヤの検出感度が適応達成度または学習達成度の関数として設定される実施態様に関するものである。エンジンがスタートしたとき、ａは値１にセットされる。
【００２４】
このミスファイヤの検出方法はステップＳ５．１から開始され、このステップＳ５．１において点火に同期してセグメント時間が測定され、ステップＳ５．２において第１の信号に処理され、この第１の信号内にクランク軸の回転運動における不均一性が形成されている。ステップＳ５．３において、ミスファイヤのない運転において系統的に発生する、たとえば捩り振動により形成される不均一性を補正するための修正値Ｋが、負荷／回転速度特性曲線群Ｋ（ｎ、Ｌ）から個々のシリンダごとに読み込まれる。１回目のランの実行においては、特性曲線群の値として所定の中立値または妥当値が使用される。これらの修正値は、ランの反復実行により順次、ミスファイヤが原因ではない系統的な不均一性を信号処理において補正する修正値に変換される。このために、ステップＳ５．４において、修正値が第１の信号と結合されて第２の信号を形成し、この第２の信号は第１の信号よりも上記の不均一性から受ける影響がはるかに少なくなる。ステップＳ５．５において特性曲線群Ｌｕｒ（ｎ、Ｌ）から基準値Ｌｕｒを読み込んだ後、ステップＳ５．６において、第２の信号が基準値Ｌｕｒと比較される。第２の信号が基準値と交差したとき、ステップＳ５．７においてこの交差がミスファイヤとして評価される。ステップＳ５．８がそれに続き、ステップＳ５．８において、場合により、すなわちたとえばミスファイヤが所定の頻度で発生したとき、エラー表示ランプ６が点灯される。図５の流れ図の右側の分岐フローは、修正値Ｋを個々のエンジンの特性に適応させるためのものである。このために、ステップＳ５．９において、ステップＳ５．１において点火に同期して測定されたセグメント時間から、修正値Ｋ′が形成される。このために、たとえば個々のシリンダごとに、および各負荷／回転速度範囲に対して固有に、測定されたセグメント時間の基準セグメント時間との偏差が形成される。次に、この差が動的修正に利用され、たとえば基準セグメント時間で割算することにより、角度に比例しかつ回転速度とは独立の値に正規化される。このように正規化されたセグメント時間の偏差が低域フィルタによりフィルタリングされる。その結果がその範囲に固有の修正値Ｋ′を表わし、次にこの修正値Ｋ′がその時点における修正値として記憶される。ステップＳ５．１０において、学習達成度が検査される。この場合、学習達成度は、ある程度、この時点までに得られた修正値Ｋ′の仮の最適値に対する偏差を示している。この偏差に対する近似値として、フィルタ入力とフィルタ出力との間の差を利用してもよい。この差は仮の最適値に近づけば近づくほど小さくなる。この偏差が十分に小くなると、問い合わせステップＳ５．１０において、個々のシリンダの特定の負荷／回転速度範囲において所定の条件が満たされたものとみなされる。ステップＳ５．１１における問い合わせは、同じシリンダの他の負荷／回転速度範囲において既に所定の条件が満たされていたか否かを決定するためのものである。実際の範囲が条件が満たされている最初の範囲である場合、この最初の適応段が終了したものとみなされる。次に、ステップＳ５．１２は変数ａを値０にセットする。これはステップＳ５．６の前の基準値形成において影響を与える。適応が少なくとも１つの範囲において終了されないかぎり、ステップＳ５．１５において、ミスファイヤの検出が応答されないように基準値が変化される。これに対し適応が少なくとも１つの範囲において終了した場合、比較的敏感なミスファイヤ検出を示す基準値が利用される。この場合、適応の終了状態は問い合わせを介してステップＳ５．１４において決定される。この場合、ａ＝１は終了しなかったことを示し、ａ＝０は第１の適応段の終了を示す。この段は、ステップＳ５．１３において修正値Ｋがまず１つのシリンダのすべての負荷／回転速度範囲に対する適応の第１段としてとられることを特徴としている。この粗い適応により、伝送車の粗い不規則性または強い捩り振動が補正される。これに対し、ステップＳ５．１０において問い合わされた所定の条件が既に少なくとも１つの範囲において満たされている場合、プログラムはステップＳ５．１１を介してステップＳ５．１４内の第２の適応段に分岐し、ステップＳ５．１４において範囲に対して固有に修正値Ｋがとられる。したがって、この適応段は細かい適応を行うものとみなすことができ、この適応において範囲に固有の不規則性が学習される。範囲は負荷／回転速度の全範囲を満たす必要はなく、たとえば図６に示すように分割されてもよい。これによれば、負荷／回転速度範囲において、３つの範囲ないし範囲のクラスが形成される。ａの記号をつけた範囲は、エンジンの運転においてそれが比較的頻繁に発生すること、およびミスファイヤ検出の観点においてそれが比較的危険ではないことを示している。後者は、ミスファイヤの検出においてたとえば捩り振動等による比較的小さな外乱が予想されることを意味している。言い換えると、この範囲においてはほとんど適応を行う必要はなく、頻繁に発生するために適応は迅速に行われる。ｂの記号をつけた範囲は、この範囲内で測定されたセグメント時間から適応値が形成されることを示している。その他の範囲ｃは、ここで測定されたセグメント時間に対する修正値が隣接する隣接ａおよび／またはｂからの適応値に基づいて補間により求められることを示している。言い換えると、ここでは他の運転範囲からの修正値に基づいた修正値が使用される。
【００２５】
２段適応は、この実施例においては次の手順で実行される。第１段において、適応が最初に終了した範囲ａからの適応値が他のすべての範囲において取り入れられ、この場合、この適応値がさらにそのあらかじめわかっている回転速度との関数関係から修正される。したがって、範囲ａは、適応に関して優勢であることを示している。１つの範囲ａに対する例は全回転速度スペクトル内の惰行運転または回転速度スペクトルの１つまたは複数の部分間隔内の惰行運転であってもよい。この場合、惰行運転として、たとえば、絞り弁を閉じた運転または一定または回転速度の関数である所定の負荷しきい値以下の運転が適用される。負荷に対する尺度は、たとえばシリンダの充填に比例して計算される燃料の基本供給信号ｔｌであり、これは内燃機関のストロークに関して正規化された吸込空気量Ｑから ｔｌ＝Ｑ／ｎ（ｎ＝回転速度） として形成してもよい。範囲ａとして惰行運転を使用することは、適合の希望とする迅速性の点から有利である。第２段においては、残りの範囲ａおよびｂに対して既に個々に適応ないし修正値が形成されている。さらに、２段適応に平行して、ミスファイヤの検出感度が設定される。第１の適応段がまだ終了していないかぎり、比較的大きい基準回転不規則値Ｌｕｒが使用され、これは比較的感度の低いミスファイヤ検出に対応している。第１の適応段が終了されると直ちに、より小さいしきい値を使用することにより比較的感度のよいミスファイヤ検出に切り換えられる。
【００２６】
一実施態様において、修正値は、個々のシリンダおよび負荷／回転速度の関数としてのみでなく、エンジン温度の関数として形成してもよい。
【００２７】
さらに、妥当性検査が行われてもよく、この場合、セグメントに固有でかつシリンダに固有の、種々の負荷／回転速度範囲の部分が相互に比較されかつ妥当性がないほどにかけ離れた修正値は考慮されない。エンジンタイプの関数として、妥当な修正値の所定の範囲が存在し、この範囲はミスファイヤのない運転において保持される。妥当性検査の例としてこの範囲の保持がモニタリングされる。
【００２８】
他の実施態様においては、適応ないし修正値の形成はミスファイヤの検出後停止してもよい。続いて少なくとも１つの所定の負荷／回転速度範囲（修復範囲）でミスファイヤの発生なしに運転が行われたとき、修正値の形成が再び可能となる。この過程は、ミスファイヤの作用が外乱として学習され、これが最終的に、ミスファイヤが検出されなくなることを防止している。
【００２９】
図５の範囲において、修正値形成の停止は、たとえばステップＳ５．７におけるミスファイヤマークのセットにより初期化してもよい。ステップＳ５．１とＳ５．９との間で、マークがセットされているか否かの問い合わせにより修正値形成の停止が行われてもよい。マークがセットされている場合、ステップＳ５．９から始まる図５の右側の分岐フロー内のステップ列の実行が中止される。言い換えると、ミスファイヤが発生したとき、修正値の形成は停止される。
【００３０】
停止後、少なくとも１つの特定の負荷／回転速度範囲（修復範囲）でミスファイヤの発生なしに運転が行われたとき、修正値の形成が再び可能となる。図５の実施態様において、このために、ステップＳ５．６の問い合わせが否定された後、負荷および回転速度のその時点の値が修復範囲内にあるか否かを問い合わせてもよい。この問い合わせが肯定の場合、ステップＳ５．７においてセットされたマークは再びリセットされる。これの代替態様として、場合によりセットされたマークがミスファイヤのない運転の後、１つの修復範囲のみでなく複数の修復範囲もまたリセットされてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の技術的周辺図である。
【図２】本発明による方法を実行するのに適したコンピュータである。
【図３】回転速度の測定に基づき、回転の不規則性の尺度の基準としてのセグメント時間を形成する既知の原理を示す。
【図４】回転不規則値を求めるときの捩り振動の影響を示す。
【図５】本発明による方法の実施態様の流れ図である。
【図６】実施態様において使用される特性曲線群の構造図である。
【符号の説明】
１ 内燃機関
２ 角度伝送車
３ マーキング
４ 角度センサ
５ 制御装置
６ エラー表示ランプ
２．１ 計算ユニット
２．２ 入力ブロック
２．３ 出力ブロック
２．４ メモリ
ｉ 点火サイクル指数
Ｋ、Ｋ′ 修正値
Ｋ（Ｌ、ｍ） 修正値の負荷／回転速度特性曲線群
Ｌｕｒ 基準回転不規則値
Ｌｕｔ（ｉ） 指数ｉの修正回転不規則値
ＯＴｋ ｋ番目のシリンダの上死点
ｔｓ セグメント時間
ｔｓｉ 指数ｉのセグメント時間
ψｋ ｋ番目の回転角度範囲
ｚ シリンダ数

Claims (9)

1. クランク軸の回転運動における不均一性が形成される第１の信号に基づく多シリンダ内燃機関における燃焼ミスファイヤの検出方法であって、ミスファイヤのない運転において系統的に発生する不均一性から修正値が形成され、前記修正値が前記第１の信号と結合されて第２の信号が形成され、これにより前記不均一性が前記第１の信号よりも前記第２の信号に対しより少ない程度に影響を与え、前記第２の信号が基準値を通過したことによりミスファイヤが検出される、燃焼ミスファイヤの検出方法において、
   前記修正値が、前記結合の前に、個々のシリンダごとに且つ個々の負荷／回転速度範囲に固有に形成され、所定の条件が満たされるまで前記修正値が順次に変化されること、および
   前記所定の条件が満たされている第１の負荷／回転速度範囲の修正値が、他の負荷／回転速度範囲における前記所定の条件が満たされるまで、前記第１の信号と結合されること、
   を含み、
   前記第１の信号がセグメント時間に基づいて形成され、ここでセグメント時間は、内燃機関のクランク軸が所定の回転角度範囲として定義されたセグメントを通過する時間に対応し、
   前記第１の信号の内の不均一性が、個々のシリンダにおいて測定されたセグメント時間の基準セグメント時間からの偏差として定義され、
   前記偏差が低域フィルタによりフィルタリングされ、該低域フィルタの入力値と出力値とが所定の値より小さい値で相互に異なっているときに前記所定の条件が満たされているとみなされることを特徴とする燃焼ミスファイヤの検出方法。
2. 前記基準値が、さらに、少なくとも１つの負荷／回転速度範囲において前記所定の条件が満たされているか否かの関数であることを特徴とする請求項１の方法。
3. 少なくとも１つの負荷／回転速度範囲において前記所定の条件がまだ満たされていないときにミスファイヤの検出感度が比較的低く、それ以外の場合に比較的感度がよくなるように、前記基準値との関係が形成されることを特徴とする請求項２の方法。
4. 前記所定の条件が満たされている、選択された範囲の修正値が、適応が行われていない他の運転範囲においても使用されることを特徴とする請求項１の方法。
5. 前記修正値が、個々のシリンダにおいて、および負荷／回転速度の関数としてのみでなく、エンジン温度の関数としても形成されることを特徴とする請求項１の方法。
6. 前記修正値の妥当性検査が行われ、この場合、種々の負荷／回転速度範囲のセグメントに固有でかつシリンダに固有の部分が相互に比較されること、および
   妥当でない偏差が発生したときには偏差のある修正値が考慮されないこと、を特徴とする請求項１の方法。
7. ミスファイヤを検出した後に前記修正値の形成が停止され、少なくとも１つの前記所定の負荷／回転速度範囲（修復範囲）がミスファイヤの発生なしに運転されたときに再び修正値の形成が可能とされることを特徴とする請求項１の方法。
8. １つまたは複数の負荷／回転速度範囲が、全回転速度範囲における惰行運転、または、前記全回転速度範囲の１つまたは複数の部分範囲における惰行運転に対応することを特徴とする請求項１の方法。
9. 絞り弁を閉じた運転、または所定の負荷しきい値が一定または回転速度の関数である前記所定の負荷しきい値以下の運転が、前記惰行運転とみなされることを特徴とする請求項８の方法。

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