JPH09119338A - 燃焼ミスファイヤの検出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 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検出の信頼性
をさらに向上する方法を提供する。 【解決手段】 第１の信号（ｔｓ（ｎ））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の信号に基づいて作動する燃焼ミスファイヤの検出方
法において、第２の信号（ψ（ｎ））が発生され、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、この第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する。
この第２の信号は、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、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（ｑ（ｎ））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。

Description

【発明の詳細な説明】

【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５２
３９４７３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^-jψ(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ｔ
ｓ″（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

フロントページの続き (72)発明者 アンドレア・ローマン ドイツ連邦共和国 70195 シュトゥット ガルト，ヒンメルライヒシュトラーセ 37 (72)発明者 クラウス・リース−ミューラー ドイツ連邦共和国 74906 バート・ラッ ペナオ，ハインスハイマー・シュトラーセ 47 (72)発明者 ユールゲン・フェルスター ドイツ連邦共和国 09123 ヒェムニッツ, フラオ−フィルテル−シュトラーセ 90

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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、を特徴とする燃焼ミ
   スファイヤの検出方法。
2. 【請求項２】 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請求項１の方法。
3. 【請求項３】 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。
4. 【請求項４】 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。