Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung der Betriebsweise einer Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung der Be- triebsweise einer Brennkraftmaschine gemäß den unabhängigen Ansprüchen.

Brennkraftmaschinen in Kraftfahrzeugen weisen zur Einspritzung von Kraftstoff in die Zylinder ein Einspritzsystem auf. Das Einspritzsystem umfasst mehrere Einspritzeinheiten, die jeweils einem Zylinder zugeordnet sind. Den Einspritzein- heiten wird von einer Steuereinheit eine Einspritzdauer vorgegeben, während der eine Einspritzung von Kraftstoff in die Zylinder erfolgt, wobei die Steuereinheit einzelne Einspritzeinheiten auch ganz abschalten kann.

Aufgrund des bei einer Brennkraftmaschine unvermeidlichen Auftretens von Zündaussetzern, wobei in dem jeweiligen Zylinder keine Verbrennung des eingespritzten Kraftstoff-Luft-Gemisches stattfindet, kann unerwünschterweise unverbrannter Kraftstoff in die Umwelt gelangen. Zudem kann dadurch auch eine dauerhafte Schädigung von bei modernen Kraftfahrzeugen vorhandenen Abgasnachbehandlungssystemen, beispielsweise des Katalysators, auftreten. Beides hat zur Folge, dass die Abgasbelastung der Umwelt erhöht wird. Um dies weitestgehend zu vermeiden existieren nationale und internationale Vorschriften und Gesetze (z. B. OBD II, E-OBD), die unter anderem eine Einrichtung zur Erkennung von Zündaussetzern bei Kraftfahrzeugen vorschreiben.

Aus der DE 199 62 799 Al ist ein System und ein Verfahren zum Detektieren von Fehlzündungen in Brennkraftmaschinen bekannt. Dabei wird ein für die Verbrennung charakteristisches Messsignal detektiert und anschließend zur Auswertung einer Frequenzanalyse unterzogen. Es handelt sich jedoch um eine ausschließliche Fehlzündungserkennung, mit dem Ziel, Speicherverluste eines an Bord eines Fahrzeugs befindlichen Computers zu verringern und die Zeit zur

Verarbeitung von Routinen zum detektieren von Fehlzündungen zu verkürzen. Es

wird nicht ein System offenbart, das es ermöglicht, nach der Erkennung eines Zündaussetzers den oder die aussetzenden Zylinder zu identifizieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das einfach, schnell und zuverlässig beim Betrieb einer Brennkraftmaschine eine Zündaussetzererkennung und eine anschließende Zylinderidentifikation ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merk- malen des Anspruchs 1. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass ein die Verbrennung von Kraftstoff in einem Zylinder charakterisierendes, digitales Messsignal ermittelt wird, das digitale Messsignal zur Auswertung anschließend in einen Frequenzbereich transformiert wird und mittels der Amplitudeninformation des ausgewerteten transformierten Messsignals ein generelles Aussetzen der Zündung detektiert wird. Zur nachgeschalteten Zylinderidentifikation wird sequentiell die Einspritzung jedes Zylinders für ein vorgegebene Zeitdauer abgeschaltet. In dieser Zeitdauer wird das entsprechende, die Verbrennung charakterisierende, digitale Messsignal ermittelt und zur Auswertung in den Frequenzbereichbereich transformiert. Ergibt die Auswertung des transformierten Messsig- nals, dass im Vergleich mit der Amplitudeninformation n/2-ter Ordnung aus der vorangegangenen generellen Aussetzererkennung ohne Abschalten einer Einspritzeinheit eine änderung vorliegt, so kann es sich bei dem untersuchten Zylinder nicht um einen aussetzenden Zylinder handeln. Die Einspritzeinheit des untersuchten Zylinders wird wieder zugeschaltet. Die Schritte werden für alle Zylinder wiederholt. Liegt keine änderung in der Amplitudeninformation n/2-ter Ordnung vor, so handelt es sich bei dem untersuchten Zylinder um einen zu identifizierenden, aussetzenden Zylinder. Das Verfahren ist sowohl bei selbstzündenden als auch bei nicht selbstzündenden Brennkraftmaschinen anwendbar.

Ein Ermitteln des Messsignals gemäß Anspruch 2 ist einfach und kostengünstig. Ein Geberrad zum Ermitteln eines Drehzahlmesssignals ist bei einer Brennkraft-

maschine in der Regel vorhanden, so dass zur Durchführung des erfindungsge- mäßen Verfahrens keine zusätzlichen Messeinheiten erforderlich sind.

Ein Transformieren des digitalen Messsignals gemäß Anspruch 3 ermöglicht eine besonders einfache und zuverlässige Auswertung des Messsignals.

Die diskrete Hartley-Transformation ist ausschließlich durch reelle Operationen berechenbar. Das Messsignal wird in einzelne Winkel-Frequenzen zerlegt, die auch als Ordnungen bezeichnet werden. Im Gegensatz zu einer Auswertung des Messsignals im Zeitbereich werden bei der diskreten Hartley-Transformation höherfrequente Störanteile im Messsignal automatisch eliminiert, da auf deren Berechnung bei der Anwendung der diskreten Hartley-Transformation prinzipiell verzichtet werden kann.

Ein Auswerten des transformierten Messsignals gemäß Anspruch 4 ist wenig rechenintensiv. Die Spektralanalyse von niederfrequenten Spektralanteilen ermöglicht eine einfache Auswertung, ohne dass höherfrequente und mit Störanteilen überlagerte Spektralanteile berücksichtigt werden müssen.

Ein Auswerten des transformierten Messsignals gemäß Anspruch 5 ist besonders einfach. Die Amplitude des Spektralanteils 0,5-ter Ordnung ist in der Regel ausreichend, um ein Aussetzen der Zündung detektieren zu können.

Ein Auswerten des transformierten Messsignals gemäß Anspruch 6 erhöht die Zuverlässigkeit des Verfahrens.

Ein Auswerten des transformierten Messsignals gemäß Anspruch 7 ermöglicht ein einfaches und zuverlässiges Detektieren der stabilen Verbrennung, wobei die Zuverlässigkeit mittels des vorgegebenen Schwellwertes einstellbar ist.

Eine Mittelung des digitalen Messsignals gemäß Anspruch 8 ermöglicht das Eliminieren von zyklischen Schwankungen des Messsignals, die von einer un-

gleichmäßigen Verbrennung verursacht werden. Vorzugsweise wird ein arithmetischer Mittelwert des digitalen Messsignals über mindestens zwei Arbeitsspiele der Brennkraftmaschine gebildet.

Eine Schleppkorrektur gemäß Anspruch 9 ermöglicht die Korrektur von Fehlern aufgrund parasitärer Effekte, wie beispielsweise aufgrund von Massenmomenten der Brennkraftmaschine. Hierzu wird die Brennkraftmaschine vorteilhafterweise an einem Prüfstand geschleppt, d. h. ohne Einspritzung betrieben, wobei das Messsignal ohne den Einfiuss einer Verbrennung ermittelt, transformiert und ausgewertet wird. Die Auswertung des Messsignals liefert mindestens einen Korrekturwert, der in einer Steuereinheit abgespeichert und beim Auswerten des transformierten Messsignals berücksichtigt wird.

Ein Verfahren gemäß Anspruch 10 ermöglicht eine einfache Korrektur von Mess- fehlem des Geberrades. Die Korrektur könnte auch nach dem Transformieren des Drehzahlmesssignals erfolgen.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Steuerung der Betriebsweise einer Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 11 ermöglicht eine einfache, schnelle und zuverlässige Aussetzerdetektion und eine anschließende Identifikation des wenigstens einen aussetzenden Zylinders. Die Vorteile der Vorrichtung entsprechen denen, die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgeführt wurden.

Die Vorrichtung umfasst mindestens eine Steuereinheit zum Ansteuern mindestens einer einem Zylinder zugeordneten Einspritzeinheit, wobei die Steuereinheit diese auch für eine vorgegebene Zeitdauer auch gänzlich abschalten kann. Weiterhin umfasst die Vorrichtung mindestens eine Messeinheit zum Ermitteln eines das Verbrennen von Kraftstoff in wenigstens einem Zylinder charakterisieren- den, digitalen Messsignals, vorzugsweise des von einem an der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angebrachten Geberrads erfassten Drehzahlsignals.

In der mindestens einen Transformationseinheit der Vorrichtung findet das Transformieren des digitalen Messsignals in einen Frequenzbereich statt. Die Auswertung der Amplitudeninformation des transformierten Messsignal geschieht in der mindestens einen Auswerteeinheit der Vorrichtung. Falls in der Auswerteeinheit ein Aussetzen der Zündung in der Brennkraftmaschine detektiert wird, wird die Steuereinheit über eine Schnittstelle angewiesen, nacheinander in jedem einzelnen Zylinder für eine bestimmte Zeit die Einspritzung abzuschalten. Falls in der Auswerteeinheit eine Abweichung vom transformierten Messsignal ohne Abschaltung der Einspritzung festgestellt wird, erhält die Steuereinheit die Anweisung, die Einspritzeinheit des Zylinders wieder zu aktivieren und die Einspritzeinheit des nächsten Zylinders abzuschalten. Diese Schritte werden für alle Zylinder wiederholt. Sobald in der Auswerteeinheit keine Abweichung vom transformierten Messsignal ohne Abschaltung der Einspritzung festgestellt wird, ist der Zylinder, dessen Einspritzeinheit momentan abgeschaltet ist, als ein aus- setzender Zylinder identifiziert. Es kann auch vorkommen, dass in mehr als einem Zylinder die Verbrennung aussetzt. Insbesondere wird die Einspritzung der aussetzenden Zylinder abgeschaltet, um zu vermeiden, dass unverbrannter Kraftstoff ausgestoßen wird.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausfuhrungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung. Es zeigt:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer Brennkraftmaschine mit einer Vorrichtung zum Steuern der Betriebsweise der Brennkraftmaschine ,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Erkennung des Aussetzens der Zündung, und

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Zylinderidentifikation, nachdem ein Aussetzen der Zündung erkannt wurde.

Die Brennkraftmaschine 1 in Fig. 1 weist einen Motorblock 2 mit mehreren Zylindern 3 und ein Einspritzsystem 4 auf. Das Einspritzsystem 4 umfasst eine der Anzahl an Zylindern 3 entsprechende Anzahl an Einspritzeinheiten 5, wobei je- dem Zylinder 3 eine Einspritzeinheit 5 zum Einspritzen von Kraftstoff 6 zugeordnet ist. Eine Kurbelwelle 7 ist innerhalb des Motorblocks 2 angeordnet und aus diesem herausgeführt. Zur Umwandlung der in den Zylindern 3 freigesetzten Energie des Kraftstoffs 6 in eine Rotationsbewegung ist die Kurbelwelle 7 mit nicht näher dargestellten Zylinderkolben verbunden.

Das Einspritzsystem 4 weist weiterhin eine Vorrichtung 8 zum Steuern der Betriebsweise der Brennkraftmaschine 1 auf. Die Vorrichtung 8 umfasst eine Steuereinheit 9 zum Ansteuern der Einspritzeinheiten 5 mittels eines vorgebbaren Einspritzdauerwertes, eine Messeinheit 10 zum Messen eines das Verbrennen des Kraftstoffs 6 in den Zylindern 3 charakterisierenden, digitalen Messsignals, eine Transformationseinheit 11 zum Transformieren des Messsignals in einen Frequenzbereich, und eine Auswerteeinheit 12 zum Auswerten des transformierten Messsignals. Die Messeinheit 10 ist an einem herausgeführten Ende der Kurbelwelle 7 angeordnet und steht in Signalverbindung mit der Steuereinheit 9. Die Messeinheit 10 ist als Geberrad ausgebildet und weist zur Ermittelung eines Drehzahlmesssignals der Kurbelwelle 7 äquidistante Winkelmarkierungen auf. Die Auswerteeinheit 12 ist derart ausgestaltet, dass ein Zündaussetzer in der Brennkraftmaschine 1 detektierbar ist. . Zum Vorgeben von Einspritzdauerwerten bzw. zum Aktivieren und Deaktivieren der Einspritzung steht die Steuereinheit 9 in Signalverbindung mit den Einspritzeinheiten 5.

Das Auftreten von Zündaussetzern führt zu Drehmomentänderungen, welche sich beispielsweise in der momentanen Kurbelwellendrehzahl bzw. in der momentanen Kurbelwellenbeschleunigung widerspiegeln.

Mittels des nachfolgend in Fig. 2 beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, bei einer Brennkraftmaschine mit n Zylindern 3 ausgehend von einem Drehzahlsignal ein Aussetzen der Zündung zu detektieren. Ferner ist es, wie in Fig. 3 beschrieben, möglich, zu erkennen, bei welchen Zylindern 3 Zünd- aussetzer auftreten. Hierzu wird das Drehzahlsignal in den Winkel-Frequenzbereich transformiert. Da die Verstellung einzelner Zylinder sich vor allem auf die niederfrequenten Spektralanteile auswirken, werden vor allem diese zur De- tektion von Zündaussetzern herangezogen.

Mittels der als Geberrad ausgebildeten Messeinheit 10 wird das Drehzahlmesssignal der Kurbelwelle 7 ermittelt. Die Zeiten zwischen den einzelnen Winkelmarkierungen des rotierenden Geberrades 10 werden von einem Sensor erfasst und an die Steuereinheit 9 geleitet. Die Steuereinheit 9 rechnet die gemessenen Zeiten in das digitale Drehzahlmesssignal um.

Zu Beginn des Verfahrens nach Fig. 2 wird das Drehzahlmesssignal zunächst dem ersten Korrekturelement 13 zugeführt, das eine Geberradadaption zur Korrektur von Messfehlern des Geberrades durchführt. Hierzu wurde das Geberrad, insbesondere die Abstände der Winkelmarkierungen, an einem Prüfstand vermes- sen und Korrekturwerte für nichtäquidistant angeordnete Winkelmarkierungen ermittelt.

Das korrigierte Drehzahlmesssignal wird anschließend dem Mittelungselement 14 zugeführt, das vorzugsweise einen arithmetischen Mittelwert über zwei Ar- beitsspiele der Brennkraftmaschine 1 des Drehzahlmesssignals bildet. Hierzu werden einander entsprechende Drehzahlmesssignalwerte in den Arbeitsspielen gemittelt. Als Arbeitsspiel wird ein Drehzahlsegment von 720° der Kurbelwelle 7 bezeichnet. Die Mittelung dient dazu, zyklische Schwankungen, die von einer ungleichmäßigen Verbrennung verursacht werden, zu eliminieren.

Das gemittelte Drehzahlmesssignal wird dem Transformationselement 15 der Transformationseinheit 11 zugeführt, das das Drehzahlmesssignal mittels einer diskreten Hartley-Transformation in einen Winkelfrequenzbereich transformiert. Die diskrete Hartley-Transformation ist ausschließlich mittels reellen Operatio- nen berechenbar, so dass die Transformation schnell und einfach durchführbar ist. Mittels der diskreten Hartley-Transformation wird das Drehzahlmesssignal in einzelne Winkelfrequenzen zerlegt, die als Spektralanteile einer bestimmten Ordnung bezeichnet werden. Dadurch, dass sich das Verbrennen von Kraftstoff 6 in den Zylindern 3 hauptsächlich in den niederfrequenten Spektralanteilen des Dreh- zahlmesssignals auswirkt, kann auf die Berechnung und Auswertung von höherfrequenten Spektralanteilen des Drehzahlmesssignals verzichtet werden. Die einzelnen Spektralanteile sind durch eine Amplitude und eine Phase gekennzeichnet, wobei zur Auswertung des Drehzahlmesssignals insbesondere die Amplitude des Spektralanteils 0,5-ter Ordnung ausreichend ist. Die Amplitude des Spektralanteils 0,5-ter Ordnung wird im Folgenden als Ao _;5 bezeichnet.

Das in Spektralanteile transformierte Drehzahlmesssignal wird anschließend dem zweiten Korrekturelement 16 zugeführt, das eine Schleppkorrektur zur Korrektur von Fehlern aufgrund von parasitären Effekten, wie beispielsweise von Massen- momenten der Brennkraftmaschine 1, durchführt. Hierzu wurde die Brennkraftmaschine 1 vorteilhafterweise an einem Prüfstand geschleppt betrieben, d. h. ohne Einspritzen von Kraftstoff 6, und das zugehörige Drehzahlmesssignal ermittelt. Mittels der diskreten Hartley-Transformation wurden drehzahlabhängige Korrekturwerte zur Korrektur der Spektralanteile ermittelt und in der Steuerein- heit 9 abgespeichert. Diese Korrekturwerte werden in dem zweiten Korrekturelement 16 zur Korrektur des transformierten Drehzahlmesssignals verwendet.

Das transformierte und korrigierte Drehzahlmesssignal wird anschließend dem Auswerteelement 17 der Auswerteeinheit 12 zugeführt. Die Auswertung des Drehzahlmesssignals, insbesondere die Detektion des Aussetzens der Zündung, erfolgt vorzugsweise mittels der Amplitude des Spektralanteils 0,5-ter Ordnung.

Liegt ein Aussetzen der Zündung in einem der n Zylinder 3 der Brennkraftmaschine 1 vor, erfolgt im Vergleich zum Normalbetrieb ohne Zündaussetzer ein deutlicher Anstieg der Amplitude A _0,5 des Spektralanteils der 0,5-ten Ordnung. Durch Vergleichen von A o, ₅ mit einem insbesondere im Auswerteelement 17 abgespeicherten Schwellwert (S) wird beim überschreiten dieses Schwellwertes (S) auf das Aussetzen der Zündung in mindestens einem der n Zylinder 3 der Brennkraftmaschine 1 geschlossen. Wird der Schwellwert (S) nicht überschritten, wird ein Signal an das Stopelement 18 weitergeleitet. Das Verfahren zur Erkennung eines Aussetzens der Zündung kann anschließend mit den bisherigen Schritten in bestimmten zeitlichen Abständen wiederholt werden.

Wird auf Grund der Amplitudenauswertung ein Aussetzen der Zündung detek- tiert, so wird zur Identifikation des wenigstens einen aussetzenden Zylinders wie in Fig. 3 gezeigt, verfahren. Aufeinanderfolgend werden, beginnend mit dem ers- ten Zylinder, in einer Schleife die folgenden Schritte n-mal durchgeführt. Vom Auswerteelement 17 aus Fig. 2 wird ein Initialisierungssignal an die Steuereinheit 9 gesendet. Wenn die Prüfung im Abfrageelement 19, insbesondere ein Teil der Steuereinheit 9, ergibt, dass die Anzahl der bisher durchgeführten Schleifen < n ist, sendet die Steuereinheit 9 ein Signal an die Einspritzeinheit 5 des ersten Zy- linders 3 und schaltet diese für eine vorgegebene Zeitdauer ab. Die Zeitdauer des Abschaltens beträgt mindestens ein Arbeitsspiel. Während dieser Zeitdauer werden die Schritte aus dem vorangegangenen Verfahren zur Erkennung des Aussetzens der Zündung, angefangen von der Ermittlung des Drehzahlmesssignals mittels der Messeinheit 10 über die Geberradadaption im ersten Korrekturelement 13 bis hin zur Auswertung des transformierten und korrigierten Drehzahlmesssignals im Auswerteelement 17 durchgeführt. Weicht die dabei ermittelte Amplitude des Spektralanteils n/2-ter Ordnung von der Amplitude des Spektralanteils n/2-ter Ordnung aus dem vorangegangenen Verfahren ohne Abschalten der Einspritzung zur Erkennung des Aussetzens der Zündung ab, so wird daraus ge- schlössen, dass der untersuchte Zylinder nicht der wenigstens eine aussetzende

Zylinder ist und es wird ein entsprechendes Signal an die Steuereinheit 9 übermittelt.

Weicht die ermittelte Amplitude des Spektralanteils n/2-ter Ordnung von der Amplitude des Spektralanteils n/2-ter Ordnung aus dem vorangegangenen Verfahren zur Erkennung des Aussetzens der Zündung nicht ab, wird also keine Veränderung in der Verbrennung festgestellt, unabhängig davon, ob die Einspritzeinheit 5 des untersuchten Zylinders 3 an- oder abgeschaltet ist, so ist der untersuchte Zylinder 3 als aussetzender Zylinder identifiziert. Ein entsprechendes Signal wird an die Steuereinheit 9 übermittelt.

Sobald im Abfrageelement 19 festegestellt wird, dass alle n Zylinder untersucht worden sind, ergeht ein Signal an das Stopelement 18. Die Einspritzeinheiten der betroffenen Zylinder bleiben abgeschaltet, um zu verhindern, dass unverbrannter Kraftstoff in das Abgassystem gelangt. Vorzugsweise wird der Bediener das

Fahrzeugs auf das Aussetzen der Zündung, zum Beispiel durch eine entsprechende Mitteilung auf der Instrumententafel, aufmerksam gemacht. Wenn das Fahrzeug über eine entsprechende Vorrichtung verfügt, kann auch eine Nachricht an eine Werkstatt gesendet werden. Das Verfahren kann auch als Diagnoseverfahren in einer Werkstatt eingesetzt werden.

Um Rechnerzeit und Rechnerkapazität zu sparen, wäre es auch denkbar, in den in Fig. 2 und Fig. 3 beschriebenen Verfahren die Korrekturelemente 13, 16 und das Mittelungselement 14 einzeln oder auch gesamt wegzulassen. Das Verfahren würde dann aber ungenauer werden.

In den vorstehenden Ausführungsbeispielen wurden die Geberradadaption im Korrekturelement 13 und die Mittelung über mehrere Arbeitsspiele im Mittelungselement 14 vor der Transformation des Drehzahlmesssignals im Transfor- mationselement 15 durchgeführt. Sowohl die Geberradadaption als auch die Mittelung könnten aber auch insbesondere nach der Transformation stattfinden.

Die vorstehenden Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung wurden anhand der Hart- ley-Transformation beschrieben. Die Erfindung kann jedoch bei geeigneter Abwandlung auch unter Zuhilfenahme einer anderen Transformation, zum Beispiel einer Fast Fourier Transformation (FFT), einer Diskreten Fourier Transformation (DFT) oder dergleichen angewendet werden, wenngleich die Erfindung im Falle einer Hartley-Transformation am vorteilhaftesten und damit am geeignetsten ist.

In den vorstehenden Ausfuhrungsbeispielen wurde jeweils eine arithmetische Mittelwertbildung vorgenommen. Die Erfindung sei jedoch nicht ausschließlich darauf beschränkt, sondern lässt sich sehr vorteilhaft auch bei einer geometrischen Mittelwertsbildung oder dergleichen einsetzen.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass durch das beschriebene Verfah- ren in völliger Abkehr von bisher bekannten Lösungen auf sehr elegante Weise jedoch nichts desto weniger sehr einfache Weise eine zuverlässige Steuerung der Betriebsweise der Brennkraftmaschine realisierbar ist.

Die vorliegende Erfindung wurde anhand der vorstehenden Beschreibung so dar- gestellt, um das Prinzip der Erfindung und dessen praktische Anwendung bestmöglichst zu erklären. Jedoch lässt sich die Erfindung bei geeigneter Abwandlung selbstverständlich in zahlreichen anderen Ausfuhrungsformen realisieren.

Bezugszeichenliste:

1 Brennkraftmaschine

2 Motorblock

3 Zylinder

4 Einspritzsystem

5 Einspritzeinheit

6 Kraftstoff

7 Kurbelwelle

8 Vorrichtung

9 Steuereinheit

10 Messeinheit

11 Transformationseinheit

12 Auswerteeinheit

13 Korrekturelement, erstes

14 Mittelungselement

15 Transformationselement

16 Korrekturelement, zweites

17 Auswertelement

18 Stopelement

19 Abfrageelement