Verfahren zum Erkennen von Verbrennungsaussetzern bei einer BrennKraftmaschine

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen von Ver¬ brennungsaussetzern bei einer Brennkraftmaschine durch Aus¬ werten der Kurbelwellendrehzahl gemäß Oberbegriff von Patent¬ anspruch 1.

Das Auftreten von Verbrennungsaussetzern bei einer Brenn¬ kraftmaschine kann einerseits zur Erhöhung der Emissionsrate von Schadstoffen und anderseits aufgrund von Nachreaktionen des unverbrannten Luft-Kraftstoffgemisches zur Zerstörung des im Abgastrakt der Brennkraftmaschine angeordneten Katalysa- tors oder zumindest zu einer Beeinträchtigung seiner Konver- tierungsfahigkeit fuhren.

Die Erkennung von solchen Verbrennungsaussetzern wird deshalb gefordert, um die Einnaltung der gesetzlichen Grenzwerte fur die Emissionen im Betrieb zu überwachen. Eine Detektion der Verbrennungsaussetzer aus der mittels Inkrementalgebern ge¬ messenen Kurbelwellengeschwmdigkeit bietet eine kostengün¬ stige Realisierung.

Es sind deshalb bereits eine Vielzahl von Verfahren bekannt, die zur Erkennung von Verbrennungsaussetzern Segmentzeiten messen, die die Kurbelwelle wahrend der Arbeitstakte der ein¬ zelnen Zylinder zum Durchlaufen vorgegebener Winkelspannen benotigt. Anschließend werden aus den Segmentzeiten Laufunru- hewerte berechnet und diese Werte mit Schwellwerten vergli¬ chen, wobei m Zeiten der Schubabschaltung der Brennkraftma¬ schine Fehler in der Segmentzeitmessung erkannt und korri¬ giert werden (z3. EP 0 583 496 AI) .

Verbrennungsaussetzer fuhren zu einer vorübergehenden Ver¬ langsamung der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle, wobei dieser Effekt sehr gering ist, so daß die Winkelgeschwindig¬ keit hochgenau ermittelt werden muß.

In der EP 0 576 705 AI wird deshalb bei einem Verfahren zur Erkennung von Verbrennungsaussetzern vorgeschlagen, bei der Messung der Drehzahl neben einer statischen Komponente auch die allgemeine Drehzahltendenz und zusätzlich ungleichmäßige Drehzahlanderungen zu berücksichtigen, so daß auch bei stark instationarem Betrieb Fehlerkennungen weitestgehend ausge¬ schlossen sind.

Toleranzen und Exemplarstreuungen bei der Herstellung (zB. mechanische Zahnfehler) bzw. bei der Montage des Inkremental- gebers auf der Kurbelwelle (zB. exentrische Lagerung) fuhren ebenfalls zu Ungenauigkeiten bei der Messung der Winkelge ^¬ schwindigkeit und damit zu möglichen Fehldetektionen bei der Verbrennungsaussetzererkennung.

Aus der EP 0 583 495 AI ist ein Verfahren zur Erkennung und Korrektur von Fehlern bei der Zeitmessung an sich drehenden Wellen, insbesondere an Kurbelwellen bekannt. Dabei werden Segmentzeiten gemessen, die die Welle benotigt, um sicn eine definierte Winkelspanne (Segment) zu drehen und anschließend werden diese Zeiten mit einer fur ein Bezugssegment geltenden Zeit verglichen. Im Schleppbetrieb der Brennkraftmaschine wird entweder ein Korrekturwert ermittelt, der zylmdenndi- viduell oder segmentmdividuell eine Korrektur der gemessenen Segmentzeit ermöglicht.

Darüberhinaus beinflussen Ruckwirkungen von der Straße und das mechanische Verhalten der Kurbelwelle selbst das Dreh¬ zahlverhalten der Kurbelwelle und erschweren somit die Erken- nung von Verbrennungsausetzern. Insbesondere bei mehrzylin-

3 drigen Reihenmotoren mit einer langen Kurbelwelle treten nicht mehr zu vernachlässigende Torsionsschwingungen auf, die aas Ergebnis der Verbrennungsaussetzererkennung verfalschen können. Dies kann soweit fuhren, daß in höheren Drehzahlbe- reichen die Erkennungssicherheit mit konventionellen Verfah¬ ren nicht mehr fur alle Zylinder gewahrleistet werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzu¬ geben, das gegenüber dem bekannten Stand der Technik eine noch genauere und zuverlässigere Detektion von Verbrennungs¬ aussetzern ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemaß durch die Merkmale des Pa¬ tentanspruchs 1 gelost. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Er- findung sind in den Unteranspruchen gekennzeichnet.

Aus den gemessenen Zylindersegmentzeiten wird nach einer Kor¬ rektur der mechanischen Zahnfehler, die periodisch über eine Umdrehung sind, ein Laufunruhewert bestimmt. Durch eine zy- lmderselektive StorgroßenaufSchaltung in Abhängigkeit vom

Last- und Drehzahlbereich des Betriebspunktes der Brennkraft¬ maschine wird die durch die Torsionsschwingungen der Kurbel¬ welle hervorgerufene Störung unterdrucKt. Die Werte zur Stor¬ großenaufSchaltung werden auf einem Fahrzeugprufstand be- stimmt und in zylindeπndividuellen Kennfeldern abgelegt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen naher erläutert. Es zeigen:

Figur 1: eine schematische Darstellung des Meßprinzips zur Ermittlung der Winkelgeschwindigkeit einer Kurbel welle, Figur 2: Diagramme fur die Differenzen der Segmentzeiten ohne Korrektur,

Figur 3: Segmentzeitdifferenzen mit Korrektur durch Subtrak tion, Figur 4: Segmen.tzeιtdifferenzen mit Korrektur durch Subtrak tion und Multiplikation, und Figur 5: ein Ablaufdiagramm zur Verbrennungsaussetzererken nung mit StorgroßenaufSchaltung zur Korrektur des durch Torsionsschwingungen auftretenden Stormcmentes und Figur 6: anhand eines Diagrammes einen Vergleich der Laufun- ruhewerte mit und ohne Korrektur des Torsionsmomen tes bei gemessenen Werten.

In Figur 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 ein ferromagnetische Zähne aufweisendes Geberzahnrad mit Wmkelinkrementen der Breite Δφ bezeichnet, das auf einer Kurbelwelle 2 montiert ist. Von einem magnetischen Aufnehmer 3, z.B. einem Hall- Sensor oder einem induktiven Sensor wird wahrend der Drehbe¬ wegung der Kurbelwelle 2 ein Spannungssignal erzeugt, das mit dem Abstand der Zahnradstirnfläche schwankt. Das Zahnrad bil- det somit den Modulator zur Umformung der amplitudenanalogen Eingangsgroße Winkelgeschwindigkeit m ein frequenzanaloges Signal . Die Nulldurchgange dieses Signals enthalten ebenfalls die Information über den momentanen Winkel. Durch die Abfolge der Zahnlücken und der ferromagnetischen Zahne des Gebεrzahn- rads 1 ändert sich das Magnetfeld, das von einem Permanentma¬ gneten im Sensor 3 stammt.

Aus dem vom Sensor 3 gelieferten Signal erzeugt ein Diskrimi- nator 4, der z.B. aus einem Schmitt-Trigger und einem Fian- kendetektor bestehen kann, ein Rechtecksignal, das durch den Abstand zwischen zwei Flanken T _n , im folgenden als Segment¬ zeit bezeichnet, gekennzeichnet ist. Die Quantisierung dieses Signals erfolgt mit Hilfe eines Zahlers 5 und einer Referenz-

Aφ frequenz 6. Der so erhaltene Zahlerstand ist mit εm Maß

T(n)

fur die Winkelgeschwindigkeit ω. Durch Aussparen von einem oder mehreren Zahnen auf dem Geberzahnrad 1 erhalt man einen Bereich 7 für eine Winkelreferenz, mit deren Hilfe der Abso¬ lutwinkel bestimmt werden kann. Als Standard bei Impulsgebern auf der Kurbelwelle von Brennkraftmaschinen haben sich 60 Zahne minus einer Lücke von 2 Zahnen durchgesetzt.

Bestimmt man die Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle mit¬ tels eines Inkrementalgebers, indem die Zeit T _n zum Uber- streichen eines Zylindersegmentes gemessen wird, bei einer 6- Zylmder-Viertaktbrennkraftmaschme zB. über 120°, kann die Wertefolge von T _n zur Erkennung von Verbrennungsaussetzern herangezogen werden.

In der Differenz zweier aufeinanderfolgender Segmentzeiten ΔT _n =T _n -T _n _ ₎ oder der mit Tl normierte Segmentzeitdifferenz

AT _n / T* äußert sich ein Verbrennungsaussetzer dann in einem charakteristischen Einbruch im Signalverlauf. Leider weisen selbst bei stationärem Betrieb der Brennkraftmaschine ohne Verbrennungsaussetzer, d.h. bei fehlerfreiem Fall die Folgen ΔT _n bzw. AT _n I T _n zylindeπndividuelle Abweichungen auf, αie im selben Betriebspunkt fur ein bestimmtes Fahrzeug immer wie¬ derkehren. Besonders in hohen Drehzahlbereichen erschweren diese Störungen eine sichere Erkennung von Verbrennungs- aussetzern oder machen sie gar unmöglich. Figur 2 veranschau¬ licht dies beispielhaft fur eine 4-Zylmder-

Brennkraftmaschme. In der linken Hälfte der Figur 2 sind da¬ bei die Differenzen ΔT _n der Segmentzeiten nacheinander ent¬ sprechend der Zündfolge 2-1-3-4 aufgetragen, wahrend sie in der Darstellung gemäß der rechten Hälfte der Figur 2 nach Zy¬ lindern aufgespalten sind.

Die Ursache fur diese Störungen liegen zum einen in den Fer¬ tigungstoleranzen des Geberzahnrades und zum anderen m den

Torsionsschwingungen der Kurbelwelle. Wahrend die mecnani- schen Ungenauigkeiten des Geberzahnrades in einem Adaptions¬ prozeß für jedes einzelne Fahrzeug bestimmt werden müssen, sind die Torsionsstorungen kennzeichend fur einen bestimmten Fahrzeugtyp. Zur Behebung des Storeinflußes lassen sich die beiden Störquellen auftrennen, indem die Adaption der Zahn¬ radfehler in Betriebsbereichen erfolgt, m denen keine oder nur geringe Torsionsstorungen vorliegen. Aus den fur die Zahnradfehler korrigierten Werten ΔT _n bzw. AT _n I T _n oder daraus abgeleiteten Großen können die Abweichungen der Segmentzeiten der einzelnen Zylinder, bedingt durch die Torsion der Kurbel¬ welle für einen Fahrzeugtyp aus Messungen im fehlerfreien, stationärem Betrieb auf einem Prüfstand bestirnt werden. Legt man die Daten m einem Kennfeld fur jeden Zylinder über der Last und der Drehzahl der Brennkraftmaschine ab, kann man ei¬ ne Storgroßenkompensation durch Subtraktion der aus dem Kenn¬ feld interpolierten Werte durchführen

Werden die Signalverläufe nach Figur 2 auf diese Weise korri- giert, so ergibt sich eine Darstellung, wie sie m Figur 3 angegeben ist.

Die Subtraktion der Störgröße zieht im Mittel nur im Ausset¬ zerfreien Betrieb der Brennkraftmaschine die Werte fur alle Zylinder auf Nullniveau. Tritt em Verbrennungsaussetzer auf, unterscheiden sich die Signaleinbrϋche fur die Segmentzeit¬ differenzen unterschiedlicher Zylinder. Die Multiplikation mit einem zylindermdividuellen Faktor nivelliert diese un ^¬ terschiedlichen Höhen im Aussetzerfall . Die Faktoren können auf einem Fahrzeugprüfstand bei Aussetzerbetrieb der Brenn ^¬ kraftmaschine bestimmt und in einem Kennfeld abgelegt werden. Die Figur 4 zeigt den Signalverlauf ΔT _n der durch die zu¬ satzliche Multiplikation gleichgestellten Zylinder

In dem Verfahren nach der EP 0 576 705 AI wird aus den gemes¬ senen Segmentzeiten T _n fur jeden Zylinder ein Laufunruhewert

LU _n auf der BaSis der Differenz ΔT _n zweier Zylindersegmente berechnet. Dieser wird mit einer Schwelle LUG _n verglichen, die über Kennfeldern aus der gemessenen Last, Drehzahl und Temperatur berechnet werden. Bei Überschreiten der Schwelle wird dann auf einen Aussetzer entschieden. Das in der EP 0583 496 AI beschriebene Verfahren berücksichtigt noch mechanische Zahnradtoleranzen durch eine Korrektur der gemessenen Seg- mentzeiten T _n zu TK _n : τκ _n =(ι-κ _n )τ _n .

Die Korrekturfaktoren K _n werden hierbei im Betriebszustand Schubabschaltung des Motors adaptiert.

Benutzt man em solches Verfahren der Laufunruheberechnung, ohne die Störung durch Torsionsschwingungen zu berücksichti¬ gen, ergeben sich mit zunehmenden Drehzahlen große Unter¬ schiede der Laufunruhewerte fur die einzelnen Zylinder. Durch den geringen Signalhub, den ein Aussetzer bei hohen Drehzah- len und niedrigen Lasten erzeugt, kann es zu Fehldetektionen oder Nichterkennen von Aussetzern kommen.

Die Torsionsschwingungen der Kurbelwelle werden im folgenden mit einer StorgroßenaufSchaltung unterdruckt. Bei einem Ab- laufdiagramm eines Algorithmus zu Verbrennungsaussetzererken¬ nung bestehen verschiedenen Möglichkeiten, eine solche Stor¬ großenaufSchaltung zu berücksichtigen:

• Man kann die Korrektur schon zusammen mit der Korrektur zur mechanischen Zahnradtoleranzen durchfuhren:

TK _n =(l-K _n -KTOR _n )T _n

Die Korrekturfaktoren KTOR _n , die den Einfluß des Torsi- onsmomentes beinhalten werden aus zylindermdividuellen Kenn¬ feldern m Abhängigkeit von Last und Drehzahl berechnet.

• Die nächste Möglichkeit besteht in der Subtraktion eines zylindermdividuellen Wertes LUTOR _n bei der Berechnung der Laufunruhe:

LU _n = LU ^* -LUTOR _n

LUTOR _n wird wiederum aus last- und drehzahlabhangigen Kennfeldern fur jeden Zylinder bestimmt. LU _rl ist die berech¬ nete Laufunruhe ohne Berücksichtigung der Torsionsschwingung

• Schließlich kann man die StorgroßenaufSchaltung noch durch zylinderindividuelle Kennfelder bei der Festlegung des Schwellenwertes LUG _n berücksichtigen.

Aus den angegebenen Möglichkeiten der StorgroßenaufSchaltung wird nun unter Bezugnahme auf die Figur 5 ein Verfahren zur Verbrennungsaussetzererkennung naher erläutert, bei dem das Stormoment durch zylinderindividuelle Korrekturwerte berück¬ sichtigt wird.

In einem ersten Verfahrensschritt SI werden die Segmentzeiten T _n gemessen, d.h. diejenigen Zeitspannen, die die Kurbelwel- le benotigt, um sich wahrend des Arbeitstaktes eines Zylin¬ ders um einen bestimmten Kurbelwinkel zu drehen. Dies kann beispielsweise mit einer Einrichtung gemäß Figur 1 erfolgen. Anschließend werden die gemessenen Segmentzeiten T _n im Ver¬ fahrensschritt S2 korrigiert. Eine solche Korrektur ist not- wendig, da die aufgrund von Toleranzen und Exemplarstreuungen bei der Fertigung bzw. bei der Anbringung des inkrementalen Winkelgebers, beispielsweise eines Geberrades auf der Kurbel¬ welle auftretenden Ungenauigkeiten zu einer fehlerhaften Er-

mittlung der Winkelgeschwindigkeit und damit zu möglichen Fehldetektionen von Verbrennungsaussetzern fuhren wurde. Die Zahnfehlerkorrektur im Schritt S2 erfolgt nach der Beziehung τκ _n = (ι -κ _n )τ _n mit T _n : gemessene, unkorregierte Segmentzeit K _n : Korrekturfator

Tk _n: korrigierte Segmentzeit

Die Korrekturfaktoren K _n werden hierbei im Betriebszustand der Schubabschaltung (Schleppbetrieb) der Brennkraftmaschme adaptiert, wie es beispielsweise in der EP 0 583 495 AI be¬ schrieben ist. Bei diesem bekannten Verfahren zur Erkennung und Korrektur von Fehlern bei der Zeitmessung an sich drehen¬ den Weilen wird αie Segmentzeit eines Bezugssegmentes eines Bezugszylinders gemessen, gespeichert und anschließend nach¬ einander fur alle Zylinder die Segmentzeiten der den einzel¬ nen Zylindern zugehörigen Segmente gemessen. Fur denselben Bezugszylinder wird zwei Kurbelwellenunmdrehungen spater wie¬ der die Segmentzeit dieses Bezugssegmentes gemessen und fur die einzelnen, den Zylindern der Brennkraftmaschine zugeord¬ neten Segmente werden sukzessive Korrekturwerte berechnet und diese anschließend gemittelt.

Aus den auf diese Weise korrigierten Segmentzeiten TK _n , wel- ehe die mechanischen Zahnradtoleranzen berücksichtigen, wer¬ den im Verfahrensschritt S3 sogenannte unkompensierte Laufun-

_* ruhewerte LU _n nach einem beliebigen bekannten Vefahren be¬ rechnet. Je nach Art des verwendeten Verfahrens werden dabei verschiedene dynamische Einflüsse, die beim Betrieb der Brennkraftmaschine auftreten (Beschleunigung, Verzögerung) kompensiert. Ein mögliches Verfahren zur Berechnung von Lau¬ funrunewerten ist beispielsweise in der europaischen Pa-

tentanmeldung EP 0 576 705 AI beschrieben. Gemäß diesem be¬ kannten Verfahren wird durch Messung der aufeinanderfolgenden Zeitspannen (Segmentzeiten) , die die Kurbelwelle wahrend der Arbeitstakte der hinsichtlich der Zündfolge aufemanderfol- genden Zylinder zum Durchlaufen vorgegebener Winkelspannen benotigt, fur jeden Zylinder em Laufunruhewert ermittelt. Diese Laufunruhewerte setzen sich aus einer statischen Kompo¬ nente, einer die allgemeine Drehzahltendenz berücksichtigen¬ den dynamischen Komponente und einer, die Beschleunigungs- und Verzogerungsanderungen berücksichtigenden Komponente zu¬ sammen. Diese Anteile werden dabei auf der Basis der Diffe¬ renz der Zeitspannen direkt aufeinanderfolgender Zylinder bzw. auf der Basis der Differenz der Zeitspannen weiter aus¬ einanderlegender Zylinder berechnet.

Gleichzeitig zur Messung der Segmentzeiten T _n wird im Ver¬ fahrensschritt S4 laufend über entsprechende Sensoren die Drehzahl, die Last und die Temperatur der Brennkraftmaschine gemessen. Im Verfahrensschritt S5 werden aus über Drehzahl und Last aufgespannten, in emem Speicher einer elektroni¬ schen Steuerungseinrichtung der Brennkraftmaschine abgelegten Kennfeldern die additiven Störgrößen LUTOR _n , welche die Tor- sionsschwingung berücksichtigt, bestimmt. Fur jeden Zylinder steht dabei ein eigenes Kennfeld zur Verfugung. Die Auswahl geschieht durch em Zylmderidentifikationssignal ZYL_ED .

Dieses Signal kann beispielsweise durch Bestimmung des Abso¬ lutwinkels der Kurbelwelle mit Hilfe der Zahnlücke des Geber¬ rades als Winkelreferenz und durch em Signal eines Nocken- wellengeberrades erhalten werden.

Die m den Kennfeldern abgelegten Werte werden auf einem Fahrzeugprufstand fur den ensprechendenden Antriebsstyp be¬ stimmt .

In Verfahrensschritt S7 wird die Störgröße LUTOR _n vom unkom- pensierten Laufunruhewert LU _n aus Verfahrensschritt S3 sub¬ trahiert, um den kompensierten Laufunruhewert LU _n zu erhal¬ ten. Dieser kompensierte Laufunruhewert LU _n wird im Verfah- rensschritt S8 mit einem Schwellenwert LUG _n verglichen, die über Kennfeldern aus der gemessenen Last, Drehzahl und Tempe¬ ratur der Brennkraftmaschine berechnet werden (Verfahrensschritt S7) .

Ist der Laufunruhewert mit StorgroßenaufSchaltung LU _n klei¬ ner als der Schwellenwert LUG _n , so wird im Verfahrensschritt S9 em Verbrennungsaussetzer registriert. Ist der Wert LU _n großer oder gleich dem Schwellenwert, so wird kein Verbren- nungsaussetzer registriert (Verfahrensschritt S10) . Beide Er- gebnisse der Abfrage mm Verfahrensschπtt S8 werden einer statistischen Auswertung zugeführt, da bei einzelnen erkann¬ ten Verbrennungsaussetzern das Risiko einer Fehldetektion aufgrund nicht reproduzierbarer Emfluße zu groß wäre. Steu¬ ernde Maßnahmen, wie Abschaltung der Einspritzung zu emzel- nen Zylindern werden daher erst ergriffen, wenn die statisti¬ sche Häufigkeit solcher Verbrennungsaussetzer einen bestimm¬ ten, vorgegebenen Grenzwert uoerschreitet .

Es zeigt sich, daß die Laufunruhewerte fur einen Aussetzer fur verschiedenen Zylinder leicht unterschiedlich sem kön¬ nen, bei ansonsten gleichen Betriebsbedingungen der Brenn¬ kraftmaschine. Dies laßt sich dadurch erklaren, daß die Stö¬ rung durch die Torsionsschwingung im Falle eines Veroren- nungsaussetzers leicht variiert gegenüber dem fehlerfreien Betrieb ohne Aussetzer. Im Bedarfsfall kann zur naherungswei- sen Berichtigung bei der Berechnung des kompensierten Laufun¬ ruhewertes LU _n im Schritt S7 noch em Faktor GFAK _n berück¬ sichtigt werden:

LU _n = GFAX _n (LU ^* - LUTOR _n ) (57a )

GFAK _n ist em zylmdermdividuel1er Gewichtsfaktor, der durch ein Kennfeld über der Drehzahl bestimmt wird.

Die mit diesem Verfahren erzielbaren Ergebnisse fur einen 6- Zylinderreihenmotor bei einer Drehzahl von 6000 1/mιn und ei¬ ner Last von 250 mg/Hub zeigt das Diagramm nach Figur 6. In der oberen Hälfte dieser Figur sind die berechneten Laufunru- hewerte LU _n zu bestimmten diskreten Winkeln n ohne Berück¬ sichtigung der Torsionskorrektur aufgetragen.

Die untere Hälfte der Figur 6 zeigt die Laufunruhewerte LU _n mit Torsionskorrektur nach dem erfindungsgemäßen Vefahren fur dieselbe Brennkraftmaschine im gleichem Betriebspunkt. Ver¬ gleicht man die beiden Darstellungen miteinander, so ist er¬ sichtlich, daß das Risiko einer Fehldetektion von Verbren¬ nungsaussetzern durch Berücksichtigung der Störgröße Torsi- onsmoment deutlich verringert werden kann. Legt man bei- spielsweise den Schwellenwert LUG _n , bei dessen Überschreiten auf einen Verbrennungsaussetzer erkannt wird, auf den Wert von -50, so werden beim Verfahren ohne Korrektur Laufunruhe¬ werte die oberhalb des Schwellenwertes liegen fälschlicher¬ weise als Verbrennungsaussetzer registriert, obwohl die Über- schreitung nicht durch einen Aussetzer herrühren, sondern aufgrund von Torsionsschwingungen der Kurbelwelle auftreten.