JP4008972B2 - 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】
燃焼ミスファイヤの検出システムは、センサ装置、信号処理および特徴抽出ならびに分類という機能ブロックで構成されている。センサ装置は、たとえばセグメント時間、すなわちクランク軸が所定の回転角度範囲を通過する時間を測定する。特徴抽出ブロックにおいて、セグメント時間から特徴信号が形成され、次の分類ブロックにおいて、この特徴信号から、たとえばしきい値との比較により、または神経回路の使用により、あるいは既知の他の方法により燃焼ミスファイヤが検出される。
【０００４】
しきい値との比較に基づいて作動するシステムが、ドイツ特許公開第４１３８７６５号から既知である。
【０００５】
この既知の方法によれば、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、たとえば走行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。したがって、この方法は結局、時間範囲内での特徴抽出を基礎にしている。
【０００６】
米国特許第５２００８９９号および第５２３９４７３号から他の方法が既知であり、この方法は、特徴抽出のために、周波数領域内の回転速度信号の離散型フーリェ変換による変換を利用している。ブロック単位で回転速度に変換することを利用して結果が表示されるが、ここで１ブロックは、たとえばカム軸の１回転の間に得られる回転速度信号ｍから形成してもよい。しかしながら、この方法によっては個々のミスファイヤを検出するのには最適ではない。これに対し、変換をスライドさせて行った場合、すなわち回転速度信号ｍからなる評価ブロックを、カム軸の１回転より少ない方向にシフトした場合、連続ミスファイヤの検出が不利となる。
【０００７】
既知の方法によりミスファイヤが検出可能な信頼度は、個々のミスファイヤがクランク軸の回転に与える影響が小さければ小さいほど当然低下してくる。したがって、内燃機関のシリンダ数の増大および回転速度の上昇と共に、ならびに負荷の低減と共に、検出の信頼度は低下してくる。
【０００８】
ミスファイヤの検出の信頼度が低いことは検出エラーのリスクを増大させる。さらに、この方法を種々の運転状態に適合させるための適用費用はますます増大してくる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
この背景に基づき、シリンダ数が多く、回転速度が大きくかつ負荷が小さい内燃機関におけるミスファイヤの検出の信頼性をさらに向上する方法を提供することが本発明の課題である。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は信号処理および特徴抽出に関するものである。その本質は、センサ装置により供給される信号に対し、変調プロセスのみでなくフィルタリング操作を実行することにある。変調のためにまずカム軸の回転運動と位相が同期する周期信号が発生され、続いてそのパラメータがセンサ装置により供給される信号によりまた場合により既に生成された信号により調節される。本発明においては、変調とフィルタリングとの順序を交換することが可能である。しかしながら、変調を先に行ってそれからフィルタリングすることがとくに有利である。
【００１１】
本発明により使用される信号はカム軸の回転運動に同期する位相位置を有しているので、被変調信号は同様にカム軸に同期した位相位置を有している。これにより、検出されたミスファイヤを有するそれぞれの該当シリンダを特定することが可能となる。
【００１２】
【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および角度センサ４からなるセンサ装置と、特徴抽出ブロック５と、分類ブロック６と、内燃機関のミスファイヤの発生を表示するための手段７とを備えた内燃機関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２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。
【００１３】
セグメント時間は次のステップでさらに処理される。
この処理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２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（ｚ＝８）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ωｋが定義され、回転角度範囲ωｋ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ω１ないしω８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ω１は第５のシリンダの範囲ω５に対応している等である。セグメントの位置および長さは使用事例ごとに変更してもよい。したがって、カム軸１回転当たりｚセグメント以上重なり合うセグメントないしはシリンダの上死点とは異なるセグメント位置もまた可能である。したがって、特徴抽出のステップに対する入力信号としてセグメント時間信号を利用することは、エンジン制御において既に存在する信号からそれが計算可能なので有利である。角度伝送車の機械公差は、米国特許第５２６３３６５号から既知のように計算で修正することができる。
【００１５】
セグメント時間の代わりに、入力信号として個々のクランク軸角度範囲に割り当てられた平均回転速度線図を利用してもよい。
【００１６】
たとえば、次の実施態様に対しては、カム軸１回転当たりｚセグメントへの上記の分割が利用される。
【００１７】
特徴抽出のステップの他の入力信号は、エンジン回転速度ｍ、負荷ｔｌ、温度Ｔおよび第１のシリンダを識別するための信号ｂである。
【００１８】
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における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。
【００１９】
図３ｃは回転速度変化による通過時間ｔｓの測定に対する影響を示している。典型的には自動車の滑り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修正するために、たとえば動的修正のための修正項Ｄ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傾向が修正されるように修正項Ｄを考慮することが既知である。
【００２０】
図４は図１に示す特徴抽出ブロック５を詳細な形で示している。ブロック４．１はカム軸と同期して動く角度時計を示している。このブロックに識別信号ｂが供給され、識別信号ｂは特定シリンダたとえば第１のシリンダを識別するものである。角度時計４．１はカム軸の回転と位相が同期している周期信号ψ（ｎ）を発生する。ここでｎは点火数を示している。たとえばこのような信号の一例が鋸歯状角度関数であり、
【数１】

ここでｚはシリンダ数に対応し、またｋは次数すなわちカム軸１回転当たりの振動周期の数を与えている。選択された次数は評価するために利用される信号部分を決定する。たとえば次数が１の場合、ミスファイヤはそれぞれのカム軸回転の後に反復されるので、シリンダ内に連続ミスファイヤが発生する。次の実施例は次数ｋ＝１に関するものである。
【００２１】
４シリンダエンジン（ｚ＝４）に対してｎ＝０ないし１２に対する角度時計４．１の出力信号ψ（ｎ）が図５ａに示されている。角度時計４．１の出力信号から、ブロック４．２は位相発生器として、カム軸の回転運動に位相が同期している周期振動、たとえば複素指数関数としてｅ^{-j ψ (n)}を発生する。この振動は乗算器４．５においてセグメント時間ｔｓ″（ｎ）と乗算結合される。乗算器４．５に供給されたセグメント時間は、ブロッ４．３および４．４により示されるようにあらかじめ形成してもよい。この場合、ブロック４．３は伝送車適応器を示しまたブロック４．４は動的修正器を示している。両方のブロックはエンジンの負荷ｔｌおよび回転速度ｍの関数として作動してもよい。本発明を利用する場合、これらのブロックを利用することが有利である。しかしながら、原則としては、伝送車信号が修正なしでも十分に正確でありかつ内燃機関が一定運転点で運転されるとき、本発明はこれらのブロックなしでも作動可能である。伝送車適応器は、時間測定に影響を与える伝送車の機械的不正確を修正する。たとえば、滑り運転において比較可能なセグメントに対する時間を測定しかつ相互に比較してもよい。このとき偏差が機械的不正確にフィードバックされかつ偏差を計算修正により修正することができる。動的修正器においては、複数のセグメント時間に対する回転速度変化が測定されかつ個々のセグメント時間に対するその影響は計算により削除される。
【００２２】
図５ｂは、ｚ＝４およびｎ＝１２に対して測定されかつ場合により作成されるセグメント時間ｔｓ″（ｎ）を示している。第４シリンダに連続ミスファイヤが検出され、このミスファイヤはｎ＝３，７および１１に対する付属のセグメント時間の伸長として現れている。セグメント時間を位相発生器４．２内で発生された信号と結合することにより（符号４．５）、図５ｃにおいて複素平面内の点として示した信号値が与えられる。ブロック４．６内における低域フィルタによるこの信号のフィルタリングにより、たとえば数式
【数２】

により図５ｃにおいて矢印でその大きさが示されているような特徴信号ｑ（ｎ）が供給される。特徴信号ｑ（ｎ）はこの場合ある値（矢印長さ）を有し、この値はミスファイヤが発生していることを示している。矢印の方向は、第４シリンダがミスファイヤの影響を受けていることを示している。シリンダ１にミスファイヤがある場合、矢印はたとえば実数軸の正の方向を示し、シリンダ２にミスファイヤがある場合虚数軸の負の方向を示し、また第３シリンダにミスファイヤがある場合実数軸の負の方向を示すであろう。したがって、ミスファイヤの検出および該当するシリンダの識別は、本発明の実施態様の範囲内においては特徴信号ｑ（ｎ）の大きさおよび位相を評価することにより可能である。
【００２３】
図６は周波数領域表示内のミスファイヤの影響を示している。
この場合、実線はセグメント時間信号内の種々の次数の周波数の割合を示している。この場合、０次数は信号の均等部分に対応する。ｋ＞０の種々の次数におけるより小さい極値には種々の影響が割り当てられている。１より大きい次数の部分はたとえば伝送車の機械的不正確により発生されることがある。第１次はカム軸の周波数に対応し、したがってあるシリンダ内の連続ミスファイヤの頻度に対応している。実線は１次において比較的小さい信号値を有し、これはミスファイヤのない運転に対し典型的である。これに対しあるシリンダにミスファイヤが発生した場合、この部分は、図６の破線で示すように明らかに増大する。
【００２４】
本発明による方法の第１の実施態様においては、変調は信号スペクトルを１次の付近で左方向にシフトさせ、これによりミスファイヤに対し特徴的な部分が均等部分の位置にずれてくる。それに続く低域フィルタリングにより、１次の部分はその他の信号部分から離れてくる。
【００２５】
この周波数シフトおよびフィルタリングの結果は図５ｃにおいて、信号の均等部分が反対側に上昇されまたミスファイヤに起因する信号部分のみが矢印の長さの形状においてそのまま残る。同時に図５ｃの図は、矢印方向が低域フィルタにかけられた４つの値の長さから独立していることを示している。したがって、この方法は周波数フィルタリングまたは次数フィルタリングを介して行われかつ特徴信号の位相位置に基づいてシリンダ識別を可能にしている。
【００２６】
図７は本発明による方法を実行したときに測定される測定曲線を示す。図７ａは軌道すなわち本発明により形成された特徴信号ｑ（ｎ）を極座標すなわち大きさと位相角とで示した時間経過を示している。この場合特徴点は、値がなくかつ偶然に与えられた位相角を有する、ミスファイヤのない運転に対応する中心点付近でもっぱら移動する。個々のミスファイヤにおいて、この点は、他の領域内にある程度突出し、中心点からある大きさだけ離れかつ比較的シャープに形成された位相を有している。この図から、個々のミスファイヤが本発明により検出されかつシリンダが特定されることがわかる。図７ｂは１２シリンダエンジンのうち６個のシリンダにおける連続ミスファイヤを示している。この図から、ミスファイヤの特徴点は種々のシリンダにおいて座標系の相互に明らかに異なる領域内に集中し、したがって区別可能であることがわかる。言い換えると、本発明による方法はある程度組み込まれた位相修正を含み、したがって個々のミスファイヤの信号部分はきわめて狭い直交切線（トラジェクトリ）を与える。これは、極値の位置と組み合わせてシリンダ識別を容易にする。連続ミスファイヤに対してもまた、きわめて良好な分離性能を可能にする特徴的な経過を有するコンパクトな分類空間が与えられる。これにより、本発明により形成された特徴信号ｑ（ｎ）は次の分類ステップに対してきわめて良好な特性を有している。
【００２７】
図４の実施態様の代替態様として、変調とフィルタリングとの順序を交換してもよい。これが図８に示されている。図４とは異なり、低域フィルタリングが帯域フィルタリングにより置き換えられている。両方の実施態様において、負の次数を用いて処理することが可能である。
【数３】

この実施態様は、いずれにしてもより高い計算費用が必要である。
【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である。
【図４】本発明の第１の実施態様の機能ブロック線図である。
【図５】本発明の第１の実施態様に関する信号特性を示す図である。
【図６】ミスファイヤの影響を示す周波数領域図である。
【図７】本発明を実行するときに発生するような信号の線図である。
【図８】本発明の第２の実施態様の機能ブロック線図である。
【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 特徴抽出ブロック
６ 分類ブロック
７ 表示手段
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
４．１ 角度時計
４．２ 位相発生器
４．３ 伝送車適応器
４．４ 動的修正器
４．５ 乗算器
４．６ 低域フィルタ
ｂ シリンダの識別信号
Ｄ 動的修正のための修正項
ｅ 次数
ｍ エンジン回転速度
ｎ 点火数
ＯＴｋ マーキング（ｋ番目のシリンダの上死点）
ｑ（ｎ） 特徴信号（第３の信号）
Ｔ 温度
ｔｌ 負荷
ｔｓ 所定角度範囲通過時間（第１の信号）
ｚ シリンダ数
ψ（ｎ） 周期信号（第２の信号）
ωｋ 回転角度範囲

Claims (3)

1. 第１の信号内に内燃機関のクランク軸の回転運動の不均一性が形成される前記第１の信号に基づいて燃焼ミスファイヤを検出するために、第２の信号が発生され、該第２の信号は周期性があり、またその周期間隔は内燃機関の作業サイクル間の周期間隔に対応するかまたは整数により割算されたこの周期間隔に対応し、前記第２の信号はクランク軸の回転運動に対し固定の位相関係を有している、燃焼ミスファイヤの検出方法において、
   前記第２の信号が、前記第１の信号をベースとした信号により変調されかつフィルタリングされること、および
   変調およびフィルタリングにより形成された第３の信号が、燃焼ミスファイヤの検出のためにおよび該当シリンダの特定のために使用されること、および
   前記第３の信号の大きさから燃焼ミスファイヤが検出され、その位相から該当シリンダが特定されること、
   を特徴とする燃焼ミスファイヤの検出方法。
2. まず変調が行われ、次に変調信号が低域フィルタによりフィルタリングされることを特徴とする請求項１の方法。
3. 変調の前に、生成された前記第１の信号の帯域フィルタによるフィルタリングが行われることを特徴とする請求項１の方法。

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