WO1991002892A1 - Verfahren zur zylinderselektiven überwachung des energieumsatzes bei einer mehrzylinder-brennkraft-maschine - Google Patents

Verfahren zur zylinderselektiven überwachung des energieumsatzes bei einer mehrzylinder-brennkraft-maschine Download PDF

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cylinder
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internal combustion
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combustion engine
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Wolfgang Wimmer
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Audi AG
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    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M15/00—Testing of engines
    • G01M15/04—Testing internal-combustion engines
    • G01M15/042—Testing internal-combustion engines by monitoring a single specific parameter not covered by groups G01M15/06 - G01M15/12
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    • G01M15/04—Testing internal-combustion engines
    • G01M15/11—Testing internal-combustion engines by detecting misfire

Definitions

  • the invention relates to a method for cylinder-selective monitoring of the energy conversion in a multi-cylinder internal combustion engine, for example, in the case of mixture-compressing internal combustion engines, misfiring in one or more cylinders and in diesel internal combustion engines, cylinders with different energy conversion and the resulting poor idling quality and to be able to identify poor smoothness.
  • Misfires in mixture-sealing internal combustion engines with lambda control and exhaust gas catalytic converter can lead to considerable thermal damage to the catalytic converter if post-reactions of the unburned fuel-air mixture occur in the exhaust gas tract.
  • High catalytic converter temperatures also represent a fire hazard for the vehicle.
  • misfiring causes the exhaust gas quality to deteriorate significantly, irrespective of whether the cause of the misfiring is errors in fuel metering or ignition.
  • the time is measured by counting the pulses from a pulse generator that fall within the crank angle range.
  • the phase position which is necessary for the assignment of the individual cylinders, is determined by means of a phase signal which occurs once per work cycle (in the case of four-stroke internal combustion engines with two revolutions of the crankshaft per work cycle, for example from the camshaft) ⁇ is solved.
  • DE-A 37 24 420 describes a method in which current engine speed values are determined at least twice as often as the number of cylinders within an engine cycle, and by comparing the minimum and maximum values of combustion misfires associated with each cylinder be recognized. This method requires a high amount of calculation.
  • a major disadvantage of the known methods is that the influence of dynamic engine operation (acceleration, braking) on the detection of misfires is not taken into account.
  • the invention is based on the object of a method for cylinder-selective monitoring of the energy conversion to create in a multi-cylinder internal combustion engine, with which a change in the energy conversion in a cylinder, caused by intermittent or bad combustion, with simultaneous prevention of misrecognitions, especially in dynamic driving operations, is reliably detected, so that appropriate countermeasures can be taken , such as interruption of the supply of fuel to the misfiring cylinder in order to avoid damage to the catalytic converter due to afterburning and to protect the vehicle, an error lamp in the dashboard lights up to warn the driver and the error is stored for customer service diagnosis.
  • crank angle range extends at most from the ignition TDC of the respective cylinder to the subsequent UT. If combustion stops, this work is not performed, and accordingly the rotational energy of crank drive and flywheel mass decreases in this crank angle range.
  • the rotational energy is proportional to the square of the instantaneous speed of the internal combustion engine.
  • a current speed-square value is determined for each cylinder during each working cycle of the engine.
  • the energy or n 2 drop to be checked results as the difference of the n 2 values of cylinders which follow one another in firing order.
  • Each n 2 value is calculated from the time duration of a suitably selected crank angle range.
  • the time period results from the number of pulses from a pulse generator within the crank angle range, which, for example, as is known, can be determined with the aid of the tooth signal from the flywheel ring gear and a phase signal. Since a crank angle range for the n 2 determination is assigned to each cylinder, the ranges follow one another in the ignition interval.
  • crank angle ranges used in the method according to the invention.
  • the width is to be chosen at least so large that counting pulse rates (for example 1 MHz) that are practically simple to implement are sufficient for the time measurement, and that disturbing influences, for example due to cyclical fluctuations, manufacturing tolerances of the ring gear and retroactive road bumps, are eliminated.
  • counting pulse rates for example 1 MHz
  • disturbing influences for example due to cyclical fluctuations, manufacturing tolerances of the ring gear and retroactive road bumps
  • the instantaneous speed is preferably determined over a crank angle range corresponding to the ignition distance.
  • the angular ranges of successive cylinders adjoin one another, whereby the number of required crank angle marks (for example tooth signal flanks) is reduced by half, since the end of each crank angle range coincides with the beginning of the next one.
  • An essential feature of the method according to the invention is the consideration of the influence of dynamic engine operation on the n 2 curve, which is necessary for reliable detection of misfires, because in the event of acceleration, an n 2 drop caused by a possible misfire is superimposed on the acceleration-related drop n 2 increase, whereby the misfire detection depending on the degree of acceleration would be more difficult or even prevented.
  • an n 2 drop occurs even with a fault-free engine when braking, which could lead to misdiagnosis of combustion misfires.
  • the method according to the invention therefore contains dynamic compensation.
  • the mean linear n 2 increase (with acceleration) or n 2 decrease (with decrease) is determined from the actual n n course within each working cycle of the internal combustion engine.
  • n 2 change caused by acceleration or braking of the vehicle engine is reduced.
  • the difference between the corrected n 2 value in the ignition TDC of this cylinder and the corrected n 2 value in the ignition TDC of the next cylinder in the ignition sequence is then formed for each cylinder, and the difference values are compared with predetermined threshold values. Threshold values are used for each individual combustion or for combustions combined in groups, for example for an entire engine cycle. A fault diagnosis takes place if a critical relative frequency of the threshold value exceeding of one or more cylinders occurs.
  • the threshold values are preferably determined in a characteristic diagram as a function of the load and speed of the internal combustion engine, since the gas force is lower at part load than at full load and therefore the energy deficit occurring during a misfire is also lower, so that the threshold value is lower must be as at full load, and the frictional forces are speed-dependent.
  • a precontrol is used which is always run through before the difference values for each cylinder are queried if the threshold values are exceeded.
  • This feedforward control has the task of switching off false detections as far as possible, ie triggering an error message despite proper combustion.
  • false detections can often occur. For example, very rapid increases in load, for example in the event of sudden accelerating, can put the internal combustion engine and the drive train in dampened oscillation overlap the curve of the crankshaft speed. These vibrations that cannot be avoided can lead to a misrecognition of "combustion misfires", the frequency of which becomes critical when the sudden accelerating is repeated several times in short succession. Improper actuation of the clutch pedal can also lead to limit situations in which the crankshaft speed experiences a very large acceleration or deceleration and the subsequent damped vibrations occur.
  • the precontrol of the method according to the invention now works in such a way that the change in load and / or speed is calculated within a predeterminable time, the calculated change is compared with a predeterminable limit value, and if a limit value is exceeded, the predetermined threshold value is increased over a predeterminable time period .
  • These measures make it possible to avoid incorrect detections in a simple manner, since both the load signal and the crankshaft speed, as is known for digital engine control systems, relate to fast times or crank angles . ne changes are easy to check.
  • the mean speed square changes calculated within the method during each engine cycle can be used to determine large speed changes.
  • the level of the respective limit values for triggering the precontrol is selected so that the detection of combustion misfires that actually occur is not restricted.
  • the predefinable limit values and / or the predefinable duration of the threshold value increase are determined as a function of the operating state of the internal combustion engine.
  • the threshold values are precontrolled in such a way that, after the instantaneous speed and / or the instantaneous load has been compared with predeterminable lower and / or upper limit values, if the value falls below or exceeds a lower or upper limit Limit value, the predetermined threshold value is increased over a predeterminable time period.
  • changes in the threshold values from high to low values are limited in their speed.
  • the difference values between successive threshold values are continuously formed and, if the threshold value drops, the difference value is compared with predefinable difference limit values. If the difference limit value is exceeded, the rate of change of the threshold value is limited such that the drop from one threshold value to the next corresponds at most to the predefinable difference limit value.
  • the differential limit values can be specified as a function of the engine operating condition. This makes it possible to make false detections on the basis of the suppress already damped decaying speed vibrations (eg as a result of a gas surge). Likewise, errors are detected which would occur in the case of a rapid load drop if the test variables which characterize the combustion take on smaller values with a delay and thus the threshold values corresponding to the low load state would be exceeded.
  • the method according to the invention can be carried out without additional sensors by a corresponding expansion of the digital engine control units which are customary today, in which the tooth and phase signals are already available for the cylinder-selective control of the ignition and the fuel injection.
  • FIG. 1 is a schematic illustration of an electronic control system with combustion misfire detection for a mixture-compressing multi-cylinder internal combustion engine
  • FIG. 4 shows the position and the duration of the crank angle ranges and the length of a crankshaft for an 8 cylinder four-stroke internal combustion engine n 2 values calculated therefrom,
  • Fig. 5 is a diagram showing the course of the
  • FIG. 6 is a diagram corresponding to FIG. 5, but with dynamic compensation of the speed square course over a working cycle
  • 8a is a diagram showing the course of the engine load over several work cycles of an 8-cylinder four-stroke internal combustion engine as a result of a gas surge
  • FIG. 8b is a diagram illustrating the curve of the crankshaft speed corresponding to FIG. 8a
  • 8c shows a diagram which shows the course of the determined threshold values with precontrol measures
  • 9 shows a diagram showing the course of the crankshaft speed in the event of improper engagement in the lower speed range
  • 10 shows a diagram in which the limit range of the load-speed characteristic field is specified, within which the threshold value is precontrolled, and
  • FIG. 11 shows a matrix from which weight factors for misfiring as a function of load and speed arise.
  • FIG. 1 denotes the crankshaft of a four-stroke internal combustion engine, on which a gearwheel 2 is attached, the teeth 3 (FIG. 2) or tooth flanks of which interact as a signal generator with a first sensor 4.
  • the ignition distance between successively igniting cylinders is designated by ß.
  • the segment width ⁇ for determining the instantaneous speed is equal to the ignition interval.
  • the end of each crank angle range ⁇ coincides with the beginning of the next one, so that only a number of markings corresponding to the number of cylinders has to be provided.
  • the seg entbr ⁇ it ⁇ ⁇ can also deviate from the ignition interval ⁇ .
  • the crankshaft 1 drives a camshaft 5 which bears a phase mark 6 which interacts with a second sensor 7.
  • the sensor 4 feeds the tooth signal to a digital control device 9.
  • the second sensor 7 receives a signal from the phase mark 6 after each revolution of the camshaft 5, that is to say after every second revolution of the crankshaft 1, which is also fed to the control unit 9.
  • the control unit 9, which receives a load-dependent signal via a line 10, transmits the injection time and the injection quantity and the ignition time and for each cylinder from the input signals Corresponding signals to an electronic injection device 12 and an electronic ignition device 13.
  • the device according to FIG. 1 corresponds to a known digital engine control.
  • ⁇ in ⁇ r ⁇ chentician 14 is provided which through a first line 15 the tooth signal from the first sensor 4, through a second line 16 the phase signal from the second sensor 7, through a third line 17 the engine speed signal and through a fourth line 18 the engine load Receives signal.
  • the third line 17 could also be omitted, since the crankshaft speed is calculated within the computing unit via the tooth signal and the phase signal.
  • an acceleration sensor 21 is connected to the computing unit 14 via a fifth line 22.
  • the crank angle range ⁇ (FIG. 2) is determined from the tooth signal and the phase signal for each cylinder, the duration of which is determined by counting the pulses falling into it from a pulse generator present in the computing unit, and it is calculated for each cylinder from the Duration calculated the instantaneous speed and formed its square n 2 , as shown schematically in Fig. 4.
  • n, 2 means the instantaneous speed square value for cylinder 1 before work performed by the gas force
  • n ⁇ 2 the corresponding value for cylinder 2, which at the same time represents the n 2 value for cylinder 1 after work performed by its gas force etc. Any loss of energy in cylinder 1 due to intermittent combustion is shown by the difference
  • the average linear n 2 change within an engine can also be formed from the current speed square values for a cylinder other than the first cylinder in two successive work cycles. In general, you can correct the sizes ( ⁇ n 2 ). in each case the speed square values of another cylinder are used to calculate the average linear n 2 change within two engine revolutions.
  • the processor detects misfires with a frequency greater than the critical frequency, it sends a signal to the control unit 9 via a line 19, which lights up an error lamp 20 and / or initiates other measures.
  • n 2 curve shows the n 2 curve during an operating cycle of an 8-cylinder four-stroke internal combustion engine during an acceleration process, it being assumed that there is no combustion in cylinder 2.
  • the n 2 drop after cylinder 2 is superimposed by the n 2 rise due to the acceleration process and is therefore not very pronounced.
  • the mean linear n 2 increase is calculated during each work cycle of the internal combustion engine. This mean linear curve is illustrated by curve B. If the linear n 2 increase according to curve B (or a corresponding n 2 decrease when the vehicle is braked) is now subtracted from the actual n 2 curve A, the dynamically compensated n shown in FIG. 6 results 2 course C, which now clearly shows a misalignment in cylinder 2.
  • the program flow shown in FIG. 7 in the computing unit for the detection of combustion misfires differs from the program flow shown in FIG. 3 in that the control thresholds are precontrolled.
  • This pilot control starts after the formation of the difference between the corrected n 2 values for the ignition TDC of each cylinder and the next cylinder in the ignition sequence.
  • the precontrol it is checked whether the load or speed changes exceed limit values or whether the load or speed itself exceeds or falls below limit values. In this case, the detection threshold is raised artificially.
  • the limit values can be specified depending on the load and the speed. If the limit values are not exceeded, the load and speed-dependent detection thresholds are determined, as in the program sequence according to FIG. 3. The rate at which the threshold values change from high to low values is then limited in the event that the difference between successive threshold values exceeds a predetermined differential limit value.
  • the subsequent program sequence then corresponds to the sequence shown in FIG. 3.
  • FIG. 8a shows the course of the engine load due to a sudden gas surge over time (working cycles) of the internal combustion engine.
  • the course of the engine load is characterized by a very steep rise in the front area, which swings out into a horizontal area after an overshoot phase and drops again after a short period of time.
  • the influence of this gas shock on the course of the crankshaft speed is shown in the diagram above (Fig. 8b).
  • Fig. 8b A strong increase in the number of wires corresponding to the sharp increase in the engine load can be clearly seen. This steep rise then subsides in the course of a damped oscillation.
  • the ⁇ n 2 values calculated for this crankshaft speed curve are represented by crosses in the two diagrams above (FIG. 8c, d).
  • the solid line shows the threshold value determined in the present exemplary embodiment for each working cycle of the internal combustion engine. If the threshold values predetermined for normal driving are taken as a basis, the course shown in FIG. 8d results. In the working cycles following the increase in load, however, erroneous detections occur which can be attributed to the damped decay of the speed vibrations occurring as a result of the gas surge.
  • FIG. 8c shows how this problem can be counteracted by pre-controlling the threshold values.
  • the threshold value is increased in the area of the strong load increase or the strong increase in the crankshaft speed, and is stepped down in the course of further work cycles, a constant threshold value being used as a basis for each work cycle.
  • the rate of change of the threshold values is limited by a difference limit value of 10 for successive threshold values and can be determined as a function of the operating state of the internal combustion engine. -18 - follow.
  • FIG. 9 shows another limit situation, in which there is a rapid increase in the rotational speed with a subsequently dampened curve, in which, as shown above, erroneous detections can occur.
  • the course of the speed is shown as it occurs when the vehicle is disengaged for some time. State rolls, so that the idling speed is almost reached, and then the clutch is improperly engaged. In this case too, erroneous identifications can be avoided by using the above-described voice control measures, here specifically by monitoring a limit value overshoot of the speed change.
  • the engine operating map has limit ranges in which a detection method for misfires cannot be used effectively. If these limit ranges are reached, a control takes effect in the method according to the invention, which determines the threshold values in an increased manner depending on the operating map.
  • These critical border areas are shown hatched in FIG. 10. Thus, misfire detection is not useful, particularly in the area of the upper speed limit, since the fuel supply is interrupted there. , This area is hatched in Fig. 10 on the right edge. Another border area is hatched on the left edge of the characteristic map, in which the engine speed is far below the value of the idling speed.
  • This limit case is reached, for example, if the vehicle is improperly engaged in a high gear when the vehicle is moving slowly. In this operating state of the internal combustion engine, meaningful error detection is no longer possible.
  • the Thrust operation with overrun cutoff, the precontrol which in this case defines increased threshold values.
  • Misfiring is detected with the aim of warning the driver of increased pollutant emissions as a result of misfires and if the catalytic converter is endangered, and of having repair work carried out in the workshop.
  • misfires are all the more harmful the higher the engine speed and the engine load at which they occur. This dependency is taken into account in the calculation of the relative frequencies, which result in an error display when a critical frequency threshold is exceeded, in that the combustion misfires occurring are weighted as a function of load and speed.
  • a predetermined number of engine revolutions (eg 1000) is selected as the reference variable. If one now assigned the same value to each combustion misfire, the error display would depend solely on the number of misfires without taking into account that combustion misfires in the low load / speed range are far less harmful than combustion misfires in the high load range. / Speed range. For this reason, according to the invention, the combustion misfires are multiplied depending on the load and speed before they are summed up. An example of a weighting matrix over the characteristic field is shown in FIG. 11. Compared to the normal value of 1, the misfires in the lower load and speed range are multiplied by the factor 0.2, which increases with increasing speed and load and finally reaches the maximum value of 1.6.
  • the misfire detection is completely suppressed within a predeterminable time period if the computing unit receives a signal via a sensor, from which it can be deduced that the course of the crankshaft speed is influenced by influences from strong road unevenness is influenced, so that a proper detection of misfires is no longer possible.
  • This signal can be derived from suitable sensor signals already present in the vehicle or can be generated with the aid of one or more additional displacement or acceleration sensors 21 (FIG. 1).

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Abstract

Bei einem Verfahren zur zylinderselektiven Überwachung des Energieumsatzes bei einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine wird während des Arbeitstaktes jedes Zylinders über einen bestimmten Kurbelwellendrehwinkel die Momentandrehzahl ermittelt und deren Quadrat gebildet. Innerhalb jedes Arbeitsspiels der Brennkraftmaschine wird vom tatsächlichen n2-Verlauf der mittlere lineare n2-Anstieg oder -Abfall zur Bildung eines dynamisch korrigierten n2-Verlaufs subtrahiert, und für jeden Zylinder wird die Differenz zwischen den korrigierten n2-Werten zum Zünd-OT dieses Zylinders und des in der Zündfolge nächsten Zylinders gebildet. Überschreitet ein Differenzwert einen vorbestimmten Schwellwert, so ist dies ein sicheres Indiz für einen Verbrennungsaussetzer. Durch die Korrektur des n2-Verlaufs werden dynamische n2-Veränderungen durch Beschleunigen oder Abbremsen eliminiert.

Description

Verfahren zur sylinderselß tiven Überwachung des Energieumsatzes bei einer riehrzylinder-Brennkraft- maschine
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur zylinderselektiven Überwachung des Energieumsatzes bei einer Mehrzylindεr-Brennkraftmaschine, um beispiels¬ weise bei gεmischverdichtenden Brennkra tmaschinen Verbrennungεaussetzer in einem oder mehreren Zylindern und bei Diesel-Brennkraftmaschinen Zylinder mit unter¬ schiedlichem Energieumsatz und daraus sich ergebender schlechter Leerlaufqualität und schlechter Laufruhe identifizieren zu können.
Verbrennungsaussetzer in gemischvεrdichtenden Brenn¬ kraftmaschinen mit Lambdaregelung und Abgas-Katalysator können zu erheblicher thermischer Schädigung des Katalysators führen, sofern dadurch Nachreaktionen des unverbrannten Kraftstoff-Luft-Gemisches im Abgastrakt auftreten. Hohe Katalysator-Temperaturen stellen zudem eine Brandgefahr für das Fahrzeug dar. Darüber hinaus wird durch Verbrennungsaussetzer die Abgasqualität wesentlich verschlechtert, unabhängig davon, ob die Ursache für die Verbrennungsauεεetzer in Fehlern der Kraftstoffzυmessung oder der Zündung besteht.
Es sind bereits Verfahren zur Erkennung von Ver- brennungsausse zern bekannt, die auf einer Analyse des Verlaufs der Momentan-Drehzahl der Brennkraftmaschine bzw. der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle während eines Arbeitsspiels basieren. Verbrennungsaussetzer führen dabei zu speziellen Drehzahlverlaufs~Änderungen gegenüber dem Normalzustand. Die Momentan-Drehzahl wird bei diesen Verfahren aus der Zeitdauer ermittelt, während der sich die Kurbelwelle um einen definierten Kurbel¬ winkelbereich dreht. Die Festlegung dieser Kurbel »τinkel- Bereiche erfolgt mit Hilfe von Markierungen an einem von der Kurbelwelle angetriebenen Rad. Üblicherweise werden diese Markierungen von den Zähnen des Anlaεserzahnkranzes am Schwungrad gebildet, jedoch kann auch eine eigεne, von der Kurbelwelle angetriebene Scheibe mit Markierungen vorgesehen werden. Die Markierungen erzeugen ein ent¬ sprechendes Signal in einem Induktivaufnehmer. Die Zeit¬ messung erfolgt durch Zählen der Impulse eines Impuls¬ gebers, die in den Kurbelwinkelbereich fallen. Die Be¬ stimmung der Phasenlage, die für die Zuordnung der ein¬ zelnen Zylinder notwendig ist, erfolgt mittels eines Fhasensignals, welches einmal pro Arbeitsspiel (bei Vier¬ takt -Brennkraftmaschinen mit zwei Umdrehungen der Kurbel¬ welle pro Arbeitsspiel z.B. von der Nockenwelle) ausge¬ löst wird.
Die bekannten Verfahren verwenden einen über den Kurbεl- winkel hoch aufgelösten Verlauf der Momentan- Drehzahl. Dabei wird die Zeitdauer von sehr schmalen Kurbelwinkel¬ bereichen erfaßt, wozu im Hinblick auf die erforderliche Genauigkeit hohe Taktraten für den Irnpulsgeber nötig sind. Bei einem in der US-PS 45 32 592 beschriebenen Ver¬ fahren werden 6°-Kurfoelwinkel-Bereiche mit einer Impuls¬ rate von 5 MHz abgetastet. Bei derartig hoch aufgelösten Horaentan-Drehzahlverten stellen jedoch Störeinflüsεe durch zyklische Schwankungen des Verbrennungsablaufs sowie durch Fertigungstoleranzen des Zahnkranzes erheb- liehe Probleme dar.
Die gleichen Probleme entstehen bei dem Verfahren gemäß der DE-A 28 38 927, bei dem ein zylinderselektiver Ver¬ gleich der Soll-Ist-Leistung anhand der hoch aufgelösten momentanen Winkelgeschwindigkeit bzw. Winkelbeschleuni¬ gung erfolgt.
In der DE-A 37 24 420 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem innerhalb eines Motorarbeitεspiels momentane Dreh¬ zahlwerte mindestens doppelt so oft ermittelt werden, wie der Anzahl der Zylinder entspricht, und durch Vergleich von jedem Zylinder zugeordneten Minimal- und Maximal¬ werten Verbrennungsaussetzer erkannt werden. Dieses Ver¬ fahren erfordert einen hohen Berechnungsaufwand.
Bei einem ähnlichen Verfahren gemäß DE-A 36 15 547 werden aus den jedem Zylinder zugeordneten maximalen und minimalen Momentan ehzahlwerten für jeden Zylinder Differenzen gebildet. Zur Erkennung von Verbrennungsaus- εεtzern wird jeweils der Differenzwert eines Zylinders ins Verhältnis gesetzt zum Differenzwert des in Zünd¬ reihenfolge vorausgegangenen Zylinders, und es wird ge¬ prüft, ob dieses Verhältnis einen Schwellenwert unter¬ schreitet. Wenn jedoch die Verbrennung in zwei aufein- anderfolgεndεn Zylindern aussetzt, läßt sich mit diesem Verfahren der Aussetzer im zweiten Zylinder nicht fest¬ stellen.
Ein Hauptnachteil der bekannten Verfahren besteht darin, daß der Einfluß eines dynamischen Motorbetriebs (Be¬ schleunigung, Abbremsen) auf die Erkennung von Ver¬ brennungsaussetzern nicht berücksientigt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur zylinderselektiven Überwachung des Energieumεatzes bei einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine zu schaffen, mit dem eine Veränderung des Energieuπsatzes in einem Zylinder, hervorgerufen durch aussetzende oder schlechte Verbrennung, bei gleichzeitigεr Vεrmεidung von Fehl- Erkεnnungεn insbεsondεre auch im dynamischen Fahrbetriεb zuvεrlässig εrkannt wird, so daß εntsprechende Gegenma߬ nahmen getroffen werden können, wie z.B. Unterbrechung der Kraftstoffversorgυng des aussetzenden Zylinders zur Vermεidung einer Katalysatorεchädigung durch Nachver- brennungen und zum Schutz des Fahrzeuges, Aufleuchten einer Fehlerlampe im Armaturenbrett zur Warnung des Fahrers und Abspeicherung dεs Fehlers für die Kunden¬ dienst-Diagnose .
Diese Aufgabe wird erfindungεgemäß durch die im Kenn¬ zeichen des Anspruchs 1 angegebεnen Merkmale gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren geht von folgender vereinfachender physikalischer Überlegung aus:
Die bei der Verbrennung in jedem Zylinder entstehenden Gaskräfte erzeugen an der Kurbelwelle ein Drehmoment, das während der Drehung um einen Kurbelwinkelbereich an der Kurbelwellε Arbeit leistet. Dieser Kurbelwinkelbereich erstreckt sich maximal vom Zünd-OT des jeweiligen Zylin¬ ders bis zum nachfolgenden UT. Bei aussetzender Ver¬ brennung wird diese Arbeit nicht geleistet, und ent¬ sprechend nimmt die Rotationsenergiε von Kurbεltrieb und Schwungmasse in diesem Kurbelwinkelbereich ab. Die Rota- tionεenergie ist proportional zum Quadrat der Momentan- Drehzahl der Brennkraftmaschine.
Bei dem erfindungsgε äßεn Verfahren wird nicht wie bei den bekannten Verfahren die Momentan-Drehzahl bzw. Winkelgeschwindigkeit oder deren Zeitableitung (Beschleu¬ nigung) untersucht, sondern der Abfall des Quadrates der Momentan-Drehzahl innerhalb des genannten Kurbelwinkelbe¬ reichs. Da jedem Zylinder der Brεnnkraft aschine ein ent¬ sprechender Winkelbereich zugeordnet werden kann, ist eine zylinderselektive Überwachung des Energieumsatzes gewährleistεt.
Bei konstanter Zylinderfüllung ist der n -Abfall bei aus¬ setzender Verbrennung unabhängig von der (mittleren) Motordrehzahl, weil jeweils der gleiche Arbeitsbetrag an der Kurbelwelle fehlt. Dies bedeutet im Hinblick auf die Festlegung von Erkennungsschwellen eine erhebliche Ver¬ einfachung gegenüber einer Analyse des Momentandrehzahl- Verlaufs, die stark drehzahlabhängige Schwellenwerte er¬ forderlich macht.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahrεn wird während jεdes Arbeitsspiels des Motors für jeden Zylinder ein momen¬ taner Drehzahl-Quadrat-Wert ermittelt. Der zu über¬ prüfende Energie- bzw. n2-Abfall ergibt sich als Dif¬ ferenz der n2-Werte von in Zündfolge aufeinanderfolgenden Zylindern. Somit v/erden pro Arbeitsspiel der Brennkraft¬ maschine nur so viele Wertε ermittelt, wie der Zylinder¬ zahl der Brennkraftmaschine entspricht.
Jeder n2-Wert wird dabei aus der Zeitdauer eines ge¬ eignet gewählten Kurbelwinkelbereichs berechnet. Die Zeitdauer ergibt sich aus der Anzahl von Impulsen eines Impulsgebers innerhalb des Kurbelwinkelbereichs, der beispielsweise, wie bekannt, mit Hilfe des Zahnsignals vom Schwungradzahnkranz und eiϊ s Phasensignals festge¬ legt werden kann. Da jedem Zylinder ein Kurbelwinkelbe¬ reich für die n2-Bestimmung zugeordnet ist, folgen die Bereiche im Zündabstand aufeinander.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden im Gegensatz zu den bekannten Verfahren breite Kurbelwinkelbereiche verwendet. Die Breite ist mindestens so groß zu wählen, daß praktisch einfach realisierbare Zählimpuls-Raten (z.B. 1 MHz) für die Zeitmessung ausreichend sind, und daß Störeinflüsse, beispielsweiεe durch zykliεche Schwankungen, Fertigungstoleranzen des Zahnkranzes und rückwirkende Fahrbahn-Unebenheiten, eliminiert werden. Nach oben hin ist die Breite der Kurbelwinkelbereiche durch die Forderung begrεnzt, daß ein n2-Abfall bei aus¬ setzender Verbrennung noch hinreichend deutlich erkenn¬ bar bleibt.
Vorzugsweise erfolgt die Ermittlung der Momentan-Dreh¬ zahl über einen dem Zϋndabstand entsprechenden Kurbel¬ winkel-Bereich. Auf diese Weise grenzεn diε Winkelbe¬ reiche aufeinanderfolgender Zylinder aneinander, womit die Anzahl der erforderlichen Kurbelwinkel-Marken (bei¬ spielsweise Zahnsignal-Flanken) auf die Hälfte reduziert wird, da das Ende jedes Kurbelwinkel-Bereiches mit dem Anfang des nächsten zusammenfällt.
Ein wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Ver¬ fahrens ist die Berücksichtigung des Einflusses eines dynamischen Motorbetriebs auf den n2-Verlauf, die für eine zuverlässige Erkennung von Verbrennungsaussetzern erforderlich ist, denn im Beschleunigungsfall überlagert sich einem durch einen eventuellen Aussetzer erfolgenden n2-Abfall die beschleunigungsbedingte n2-Zunahme, wodurch die Aussetzererkennung je nach Beschleunigungsgrad er¬ schwert oder auch verhindert würde. Andererseits tritt auch bei einem fehlerfreien Motor beim Abbremsen ein n2-Abfall auf, der zur Fehldiagnose von Verbrennungsaus¬ setzern führen könnte. Das erfindungsgemäße Verfahren enthält daher eine Dynamik-Kompensation. Dazu wird inner¬ halb eines jeden Arbeitsspieles der Brennkraftmaschine vom tatsächlichεn n -Verlauf der mittlere lineare n2-Anstieg (bei Beschleunigung) bzw. n2-Abfall (beim Ab- bremsen) innerhalb dieses Arbeitsspiels subtrahiert, so daß die durch Beschleunigung oder Abbremsen des Fahr¬ zeugmotors hervorgerufene n2-Änderung εliminiεrt wird. Sodann wird für jεden Zylinder die Differεnz zwischen dem korrigierten n2-Wert im Zünd-OT dieses Zylinders und dem korrigierten n2-Wert im Zünd-OT des in der Zündfolge nächsten Zylinders gebildet, und die Differenzwerte werden mit vorbe ti mten Schwεllenwerten verglichen. Da¬ bei v/erden Schwellenwerte für jede einzelne Verbrennung oder für zu Gruppen zusammengefaßte Verbrennungen, bei¬ spielsweise für ein gesamtes Motorarbeitsspiel, ver¬ wendet. Eine Fehlerdiagnose erfolgt, wenn eine kritische relative Häufigkeit der Schwellenwert-Überschreitung eines oder mehrerer Zylinder auftritt.
Vorzugsweise werden die Schwellenwerte in Abhängigkeit von Last und Drehzahl der Brennkraftmaschine in einem Kennfeld festgelegt, da bei Teillast die Gaskraft ge¬ ringer ist als bei Vollast und daher auch der bei einem Verbrennungsaussetzer auftretende Energie-Fehlbetrag ge¬ ringer ist, so daß der Schwellenwert niedriger sein muß als bei Vollast, und die Reibungskräfte drehzahlabhängig sind.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kommt eine Vorsteuerung zum Einsatz, die jeweils immer vor Abfrage der Differenzwerte für jeden Zylinder auf Überschreiten der Schwellenwerte durch¬ laufen wird. Diese Vorsteuerung hat die Aufgabe, Fehl- Erkennungen, d.h. Auslösen einer Fehlermeldung trotz ordnungsgemäßer Verbrennung, so weit wie möglich auszu¬ schalten. Insbesondere in Grenzsituationen, die vom normalen Fahrbetrieb abweichen, kann es häufig zu Fehl¬ Erkennungen kommen. So können sehr schnelle Lastanstiege z.B. bei plötzlichem Gasgeben die Brennkraftmaschine und den Antriebsstrang in gedämpfte Schwingung versetzen, die sich dem Verlauf der Kurbelwellendrehzahl überlagεrn. Diεsε nicht zu vermeidenden Schwingungen können zu einer Fehl-Erkennung von "Verbrennungsaussetzern" führen, die in ihrer Häufigkeit dann kritisch wird, wenn das plötz¬ liche Gasgeben mehrfach in kurzer Folge wiederholt wird. Durch unsachgemäße Betätigung des Kupplungspedals kann es ebenfalls zu Grenzsituationen kommen, in der die Kurbel¬ wellendrehzahl eine sehr große Beschleunigung oder Ab- bremsung erfährt und sich die nachfolgenden gedämpften Schwingungen einstellen.
Die Vorsteuerung des erfindungsgemäßen Verfahrens arbeitet nun so, daß innerhalb einer vorgebbaren Zeit diε Änderung der Last und/oder Drehzahl berechnεt wird, die berechnete Änderung mit einem vorgebbaren Grenzwert verglichen wird und bei Überschreiten eines Grenzwertes der vorbestimmte Schwellenwert über eine vorgebbare Zeit¬ dauer erhöht wird. Durch diese Maßnahmen können Fehl¬ Erkennungen in einfacher Art und Weise vermieden werden, da sowohl das Lastεignal als auch die Kurbelwellendreh¬ zahl, wie für digitale Motorsteuerungssysteme bekannt, auf schnellε zeit- oder kurbelwinkelbezoge.ne Änderungen einfach überprüfbar sind. Alternativ kann zur Fest¬ stellung großer Drehzahländerungen die innerhalb des Verfahrens während jedes Motorarbeitsspiels berechnete mittlere Drehzahlquadrat-Änderungen herangezogen werden. Die Höhe der jeweiligen Grenzwεrte zur Auslösung der Vor¬ steuerung wird dabei jeweils so gewählt, daß die Er¬ kennung tatsächlich auftretender Verbrennungsaussetzer nicht eingeschränkt wird.
Um eine optimale Fehler-Erkennung zu gewährleisten, werden die vorgebbaren Grenzwerte und/oder die vorgeb¬ bare Zeitdauer der Schwellεnwεrt-Äihebung in Abhängig¬ keit des Eetriebszuεtandes dεr Brεnnkraftmaschinε fest¬ gelegt. In εiner vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsge¬ mäßen Verfahrens werden die Schwellenwerte derart vorge¬ steuert, daß, nachdem die Momentandrehzahl und/oder die momentane Last mit vorgebbaren unteren und/oder oberen Grenzwerten verglichεn worden ist, bei Unterschreiten bzw. Überschreiten eines unteren bzw. oberen Grenzwertes der vorbestimmte Schwellenwert über eine vorgebbare Zeit¬ dauer erhöht wird. Mit diesen Maßnahmen wird erreicht, daß in Grenzbereichen des Motorbetriebs-Kennfeldos häufig auftretεnde Fehl-Erkennungen unterdrückt werden. Dies ist beiεpielεweise sinnvoll im Bereich einεr obεren Drehzahl¬ begrenzung, in dem die Kraftstoffzufuhr unterbrochen wird, oder im Schubbetrieb mit Schubabschaltung. Ein weiterer Grenzbereich liegt dann vor, wenn die Motordreh¬ zahl weit unter die Leerlaufdrehzahl absinkt, was insbe- sondere dann vorkommt, wenn bei langsam rollendem Fahr¬ zeug unsachgemäß in einen großen Gang geschaltet wird. In diesem Betriebs^ustand schwanken die Energieumsätze der einzelnen Zylinder derart, daß eine exakte Fehler- Erkennung nicht mehr möglich ist.
In einer weiteren vorteilhaften Auεgeεtaltung des er¬ findungsgemäßen Verfahrens werden Änderungen der Schwellenwerte von hohen zu niedrigen Werten in ihrer Geschwindigkeit begrenzt. Dazu werden fortlaufend die Differenzwerte zwischen aufeinanderfolgenden Schwellen¬ werten gebildet und bei abfallendem Schwellenwert der Differenzwert mit vorgebbaren Differenzgrenzwerten verglichen. Bei Überschreitεn εinεs Differenzgrenzwerts wird die Änderungsg schwindigkeit der Schwellenwεrtε der- art begrenzt, daß der Abfall von einem Schwellenwert zum nächsten maximal dem vorgebbaren Differenzgrenzwert entspricht. Die Differenzgrenzwerte können in Abhängig¬ keit vom Motorbetriεbε^uεtand vorgegeben werden. Da¬ durch ist es möglich, Fehl-Erkennungen aufgrund der bereits oben beschriebenen gedämpft abklingenden Dreh- zahlschwingungεn (z.B. infolge eines Gasεtoßes) zu unter¬ drücken. Ebenfalls werdεn Fεhl- Erkennungen eli iniεrt, die bei schnellem Lastabfall auftretεn würdεn, falls diε die Verbrennung charakterisiεrenden Testgrößen verzögert kleinere Werte annehmen und damit die dem geringen Last¬ zustand entsprechenden Schwellenwertε übεrschrittεn werden würden.
Das erfindungsgemäße Verfahrεn kann durch entsprechende Erweiterung der heute üblichen digitalen Motorsteuerge¬ räte, in denen das Zahn- und das Phasensignal bereits für die zylinderselektive Steuerung der Zündung und der Kraftstoffeinspritzung verfügbar sind, ohne zusätzliche Sensoren durchgeführt werden.
Vorrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßεn Verfahrens sind in den Ansprüchen 9 bis 13 angegeben.
Ausführun-sbeispiεlε der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben:
Fig. 1 ist eine εchematische Darstellung einεr εlek- tronischen Steuerungsanlage mit Verbrennungs- ausεetzer-Erkennung für eine gemischverdichtende Mehrzylinder-Brεnnkraftmaschine,
Fig. 2 ist eine schematiεche Darstellung des Anlaεεer- zahnkranzes der Brennkraftmaschine,
Fig. 3 zeigt den Programmablauf in der Recheneinheit zur Erkennung von Verbrennungsaussetzern,
Fig. 4 zeigt für ein Arbεitsspiεl einer 8-Zylinder-Vier- takt-Brennkraftmaschine die Lage und die zeit¬ liche Dauer der Kurbelwinkelbereiche und die daraus berechneten n2-Werte,
Fig. 5 ist ein Diagramm, aus dem der Verlauf des
Quadrates der Momentan-Drehzahl während eines Arbeitsspiels einer 8-Zylinder-Viertakt-Brenn- kraftmaschine ohne Dynamik-Kompensation hervor¬ geht,
Fig. 6 ist ein Diagramm entsprechend Fig. 5, jedoch mit Dynamik-Kompensation des Drehzahlquadrat-Ver¬ laufs übεr εin Arbeitsspiel,
Fig. 7 zeigt den Programmablauf in der Recheneinheit zur Erkennung von Verbrennungsaussetzern mit zwischen¬ geschalteter Vorsteuerung der Erkennungsschwellen,
Fig. 8a ist ein Diagramm, aus dem der Verlauf der Motor¬ last über mehrere Arbeitsspiele einer 8-Zylinder- Viertakt-Brennkraft aschine infolge eines Gas¬ stoßes hervorgeht,
Fig. 8b ist ein Diagramm, das den zu Fig. 8a korrespon¬ dierenden Verlauf der Kurbelwellendrehzahl dar¬ stellt,
Fig. 8c zeigt ein Diagramm, aus dem der Verlauf der er¬ mittelten Schwεllenwerte mit Vorsteuerungsma߬ nahmen hervorgeht,
Fig. 8d zeigt ein Diagramm, aus dem der Verlauf der er¬ mittelten Schwellenwerte ohne Vorsteuerungsma߬ nahmen hervorgeht,
Fig. 9 zeigt ein Diagramm, aus dem der Verlauf der Kurbelwellendrehzahl bei unsachgemäßem Ein¬ kuppeln im unteren Drehzahlbereich hervorgeht, Fig. 10 zeigt ein Diagramm, in dem die Grenzbεrεichε dεs Last-Drehzahl-Kennfeldes angegεben sind, inner¬ halb derεr eine Vorsteuerung der Schwellεnwεrtε εrfolgt, und
Fig. 11 zεigt εine Matrix, aus der Gewichtsfaktoren für Verbrennungεaussetzer in Abhängigkeit von Last und Drehzahl hervorgehen.
In Fig. 1 ist mit 1 die Kurbelwelle einer Viertakt- Brennkraftmaschine bezeichnet, auf der ein Zahnrad 2 angebracht ist, dessen Zähne 3 (Fig. 2) bzw. Zahn¬ flanken als Signalgeber mit einεm ersten Sensor 4 zu¬ sammenwirken. n Fig. 2 ist mit ß der Zündabstand zwischen nacheinander zündenden Zylindern bezeichnet. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Segmentbreite α für die Ermittlung der Momentandrehzahl gleich dem Zündab¬ stand. In diesem Fall fällt das Ende jedes Kurbelwinkel¬ bereichs α mit dem Anfang des nächsten zusammen, so daß nur eine der Anzahl der Zylinder entsprechende Anzahl von Markierungen vorgesehen werden muß. Die Seg entbrεitε α kann jedoch auch von dem Zündabstand ß abweichen.
Die Kurbelwelle 1 treibt mit halber Kurbelwellendrehzahl eine Nockenwεlle 5 an, die eine Phasenmarke 6 trägt, welche mit einem zweiten Sensor 7 zusammenwirkt. Der Sensor 4 führt das Zahnsignal einem digitalen Steuer¬ gerät 9 zu. Der zweite Sensor 7 erhält von der Phaεen- markε 6 nach jeder Umdrehung der Nockenwelle 5, also nach jeder zweitεn Umdrεhung dεr Kurbelwelle 1, ein Signal, das ebenfallε dem Steuergerät 9 zugeführt wird. Das Steuergerät 9, das durch eine Leitung 10 ein laεtab- hängigεε Signal εrhält, εr ittεlt aus dεn Eingangs- εignalen für jeden Zylinder den Einspritzzeitpunkt und die Einspritzmenge sowie den Zündzeitpunkt und überträgt entsprechende Signale an eine elektronische Ξinspritz- vorrichtung 12 und eine elektronische Zündvorrichtung 13. Insoweit entspricht die Vorrichtung gemäß Fig. 1 einer bekannten digitalen Motors euerung. Zusätzlich ist εinε Rεcheneinheit 14 vorgesehen, die durch eine erste Leitung 15 das Zahnsignal von dem ersten Sensor 4, durch eine zweite Leitung 16 das Phasensignal von dem zweiten Sensor 7, durch eine dritte Leitung 17 das Motordrehzahlsignal und durch eine vierte Leitung 18 das Motorlast-Signal erhält. Die dritte Leitung 17 könnte auch entfallen, da die Kurbelwellendrehzahl innerhalb der Recheneinheit über das Zahnsignal und das Phasensignal jewεils berechnet wird. Weiterhin ist über eine fünfte Leitung 22 ein Be- schleunigungsεensor 21 an die Recheneinheit 14 ange¬ schlossen.
In der Rechenei; jit 14 wird aus dem Zahnsignal und dem Phasensignal für jeden Zylinder der Kurbelwinkelbereich α (Fig. 2) bestimmt, dessen Zeitdauer durch Zählen der in ihn fallenden Impulse eines in der Recheneinheit vorhan- dεnεn Impulsgebers ermittelt wird, und es wird für jeden Zylinder aus der Zeitdauer die Momentandrehzahl berechnet und deren Quadrat n2 gebildet, wie dies in Fig. 4 schema¬ tisch dargestellt ist. Dabei bedeutet n,2 den momentanen Drehzahlquadrat-Wert für den Zylinder 1 vor Arbeits¬ leistung durch die Gaskraft, n~ 2 den entsprechenden Wert für den Zylinder 2, der zugleich den n2-Wert für den Zylinder 1 nach Arbeitsleistung von dessen Gaskraft darstellt usw. Ein eventuell auftretender Energieabfall im Zylinder 1 durch aussetzende Verbrennung wird durch die Differenz
(Δn2)1 = nι 2 - n2 2
erfaßt, wobei diese Größe bei einem n -Abfall positiv ist. Im stationären Motorbetrieb können die Größen (Δn2). (i = 1 ....z, z = Zylinderzahl der Brennkraftmaschine) zur Erkennung von Verbrennungsaussetzern herangεzogεn wεrden, da im Falle eines Aussetzerε im Zylindεr i der Wert von (Δn2) 1. einen Schwellwert überschrεitεt. Für eine zuverlässige Verbrennungsaussetzer-Erkennung im dynamischen Motorbetrieb ist jedoch eine Korrektur erforderlich, da bei Beschleunigung eine n2-Zunahme er¬ folgt, die sich einem durch Aussetzεr bewirkten n2-Abfall überlagert. Da andererseits beim Abbremsen ein n2-Abfall auftritt, könnte dies bei einem fehlerfreien Motor zu einer Fehldiagnosε führen.
Um diesε dynamischen Einflüsse zu kompensieren, wird vom n2-Verlauf inneihalb eines jeden Arbeitsspiels der Brenn¬ kraftmaschinε der mittlere lineare n2-Anstieg bzw. -Ab¬ fall in diεsem Arbeitsspiεl subtrahiεrt. Bεzeichnet man mit n, 2 und n. , diε momentanen Drehzahlquadrat-Wεrte für den ersten Zylinder in zwei aufeinanderfolgenden Arbeits¬ spielen, so gibt die Formel
ΔASn2 = nl'2 - nl2
die mittlere dynamische n2-Änderung im ersten der beidεn Arbeitsspiele an.
Die korrigierten zylinderselektiven Testgrößen f. zur Er¬ kennung von Verbrennungsausεetzern sind damit
f. = n.2 i-1 ι ι z ΔASn2 " (ni+l2 " I ΔASn2>
- (Δn2)i + 7 ΔASΠ2
i = 1 ...z (z:Zylinderzahl) .
Die mittlere linearε n2-Ändεrung innerhalb eines Motor- arbeitsspiels kann auch aus dεn momentanen Drehzahl¬ quadrat-Werten für einεn anderen als den ersten Zylinder in zwei aufeinanderfolgenden Arbeitsspielεn gebildet werden. Allgemein können zur Korrektur der Größen (Δn2). jeweils die Drehzahlquadrat-Werte eines anderen Zylinders zur Berechnung der mittleren linearεn n2-Änderung inner¬ halb von zwei Motorumdrehungen verwendet werden.
In Fig. 3 ist der Programmablauf in der Recheneinheit 14 dargestellt. Werden von der Recheneinheit Verbrennungs¬ aussetzer mit einer größeren als der kritischen Häufig¬ keit festgestellt, so gibt sie über eine Leitung 19 ein Signal an das Steuergerät 9, das eine Fehlerleuchte 20 aufleuchten läßt und/oder andεre Maßnahmen einleitet.
In Fig. 5 ist mit A der n2-Verlauf während eines Arbeitsspiels einer 8-Zylinder-Viertakt-Brennkraft- maschine während eines Beschleunigungsvorganges darge¬ stellt, wobei angenommen ist, daß im Zylinder 2 keine Verbrennung stattfindet. Der n2-Abfall nach dem Zylinder 2 ist von dem n2-Anεtieg durch den Beschleunigungsvor¬ gang überlagert und daher nicht sehr ausgeprägt.
Um eine eindeutige Aussetzer-Erkennung zu erreichen, wird der mittlere lineare n2-Anstieg während jedes Arbeits¬ spiels der Brennkraftmaschine errechnet. Dieser mittlere lineare Verlauf ist durch die Kurve B veranschaulicht. Wird nun von dem tatsächlichen n2-Verlauf A der lineare n2-Anstieg gemäß Kurve B (bzw. bei einem Abbremsen des Fahrzeuges ein entsprεchεndεr n2-Abfall) subtrahiert, so ergibt sich der in Fig. 6 dargestellte dynamisch kompen¬ sierte n2-Verlauf C, der nun sehr deutlich einen Aus¬ setzεr im Zylinder 2 erkennen läßt.
Es sei noch bemerkt, daß in den Fig. 2, 4, 5 und 6 die Zylinder fortlaufend entsprεchεnd ihrεr Zündfolgε und nicht, wie üblich, entsprechend ihrer Anordnung numeriert wurden.
Der in Fig. 7 dargestεlltε Programmablauf in der Rechen¬ einheit zur Erkennung von Verbrennungεauεsetzern untεr- εchεidεt sich von dem in Fig. 3 dargestellten Programm¬ ablauf dadurch, daß eine Vorsteuerung der Erkennungs¬ schwellen durchlaufen wird. Diese Vorsteuerung setzt ein nach der Bildung der Differεnz zwischεn den korrigierten n2-Werten zum Zünd-OT jedεs Zylinderε und deε in der Zündfolge nächsten Zylinderε. Innerhalb der Vorεteuerung wird überprüft, ob die Laεt- oder Drehzahländerungεn Grεnzwεrte überschreiten oder ob die Last oder Drehzahl selbst Grenzwerte über- oder unterschreiten. In dieεεm Fall wird die Erkennungsschwelle künstlich hochgesetzt. Die Grenzwerte können hierbei abhängig von der Last und der Drehzahl vorgegeben werden. Werden die Grenzwerte nicht überschritten, so werden, wie in dem Programmablauf nach Fig. 3, die laεt- und drehzahlabhängigen Erkennungs¬ schwellen ermittelt. Sodann wird die Änderungsge- εchwindigkeit der Schwellenwerte von hohen zu niedrigen Werten begrenzt für den Fall, daß die Differenz aufein¬ anderfolgender Schwellenwerte einen vorgegebenen Dif¬ ferenzgrenzwert überschreitet. Der sich daran anεchlies- sende Programmablauf entεpricht dann dem in Fig. 3 darge¬ stellten Ablauf.
In Fig. 8a ist der Verlauf der Motorlast infolge eines plötzlich auftretenden Gasεtoßeε übεr der Zeit (Arbeitε- spiele) der Brennkraftmaschine aufgetragen. Der Verlauf der Motorlaεt ist durch einen sehr steilen Anstieg im vorderen Bereich gekennzeichnet, der nach einer Über- schvingphase in einen horizontalen Bereich ausεchwingt und nach kurzer Dauer wiedεr εtark abfällt. Der Einfluß dieses Gaεstoßeε auf den Verlauf der Kurbelwellendrehzahl ist in dem darüberliegenden Diagramm dargestεllt (Fig. 8b). Deutlich ist ein starker Anεtiεg dεr Drεhzahl korrespondierend zu dem starken Anstieg der Motorlast zu erkennen. Dieser steile Anstieg klingt dann im Verlauf einer gedämpften Schwingung aus. Die zu diesem Kurbel- wellendrehzahlverlauf berechneten Δn2-Werte sind in den beiden darüberliegenden Diagrammen (Fig. 8c, d) durch Kreuze dargestellt. Die durchgezogene Linie zeigt den im vorliegenden Ausführungsbeispiel jeweils pro Arbeits¬ spiel der Brennkraftmaschine ermittelten Schwellenwert. Legt man die für normalen Fahrbetrieb vorbeεtimmten Schwellenwerte zugrunde, so ergibt sich der in Fig. 8d dargestellte Verlauf. Bei den dem Lastanstieg folgenden Arbeitsspielen kommt es jedoch zu Fehl-Erkennungen, die auf das gedämpfte Abklingen der infolge des Gasstoßes auftretenden Drehzahlschwingungen zurückzuführen εind.
Diese Fehl-Erkennung von "Verbrennungsaussetzern" wird hinsichtlich der Überεchreitung der kritischen Häufig- keitfschwelle dann problematisch, wenn das plötzliche Gasgeben mehrfach in kurzer Folge wiederholt wird. Es besteht dann die GAahr, daß die Fehleranzeige i. ,sge- löst wird, ohne daß die kritische Häufigkeitsschwelle der Verbrennungsaussetzer tatsächlich überschritten wird.
In Fig. 8c ist dargestellt, wie diesem Problem mittels Vorsteuerung der Schwellenwerte begegnet werden kann. So wird im Bereich des starken Lastanstiegs bzw. des starken Anstiegs der Kurbelwellendrehzahl der Schwellenwert er¬ höht und im Verlauf weiterer Arbeitsspiεle treppenförmig abgeregelt, wobei für jedεs Arbeitsεpiel ein konεtanter Schwellenwert zugrunde gelegt wird. Die Begrenzung der Änderungsgeschwindigkeit der Schwellenwerte erfolgt im Beispiel dεr Fig. 8c durch einen Differenzgrenzwert von 10 für aufeinanderfolgende Schwellenwerte und kann in Ab¬ hängigkeit vom Betriεbszustand dεr Brennkraftmaschine er- -18 - fol gen .
In Fig. 9 iεt eine andere Grenzεituation dargestellt, bei dεr εs zu einem raschen Anstieg der Drehzahl mit an¬ schließend gedämpft ausschwingendem Verlauf kommt, bei dem εs, wie oben dargestellt, zu Fehl-Erkennungen kommen kann. Dargestellt ist der Verlauf der Drehzahl, wie er sich einstellt, wenn das Fahrzeug geraume Zeit in aus- gekuppεlterr. Zustand rollt, so daß sich nahezu die- Leer¬ laufdrehzahl einstellt, und sodann unsachgemäß einge¬ kuppelt wird. Auch in diesem Fall lassen sich Fehl-Er¬ kennungen durch Einsatz der oben beschriebenen Voi- εteuerungεmaßnahmen vermeiden, hier εpεziell durch Über¬ wachung einer Grenzwertüberschreitung der Drehzahl- Änderung.
Das Motorbetriebs-Kennfeld besitzt Grenzbεreiche, in denen ein Erkennungsverfahren für Verbrennungsaussetzer nicht sinnvoll eingesetzt werden kann. Werden diese Grenzbereiche erreicht, so greift beim erfindungsgemäßen Verfahren eine Versteuerung, die die Schwellenwerte ab¬ hängig vom Betriebskennfeld erhöht festlegt. Diese kriti¬ schen Grenzbereiche sind in Fig. 10 schraffiert darge¬ stellt. So iεt insbesondere im Bereich der oberen Dreh¬ zahlbegrenzung eine Verbrennungsaussetzer-Erkennung nicht sinnvoll, da dort die Kraftstoffzufuhr unterbrochen ist. . Dieser Bereich ist in Fig. 10 am rechten Rand schraffiert angelegt. Ein weiterer Grenzberεich iεt am linken Rand deε Kennfeldeε schraffiert eingezeichnet, bei dem nämlich die Motordrehzahl weit unter dem Wert der Leerlaufdrεh- zahl liegt. Diesεr Grεnzfall wird z.B. dann erreicht, wenn bei langsam rollendem Fahrzeug unsachgemäß in einen hohen Gang eingekuppelt wird. In diesem Betriebszustand der Brennkraftmaschine ist eine sinnvolle Fehler-Er¬ kennung nicht mehr möglich. Schließlich greift auch im Schubbetrieb mit Schubabεchaltung die Vorsteuerung, die in diesem Fall erhöhte Schwellenwerte festlegt.
Die Erkennung von Verbrennungsaussetzern erfolgt mit dem Ziel, den Fahrer bei erhöhter Schadstoffemission infolge von Aussetzern sowie bei Gefährdung des Katalysators zu warnen und zu Reparaturmaßnahmen in der Werkstatt zu ver¬ anlassen. Im Hinblick auf schlechtε Abgasqualität und Katalysatorschädigung sind Vεrbrennungsaussetzer umso schädlichεr, je höhεr diε Motordrehzahl und die Motor¬ last sind, bei welchen sie auftreten. Diese Abhängigkeit wird bei der Berechnung der relativen Häufigkeiten, die bei Überschreitung einer kritischen Häufigkeitsschwelle eine Fehlεranzeige zur Folge haben, dadurch berück¬ sichtigt, daß die auftretenden Verbrennungsaussetzεr abhängig von Laεt und Drehzahl gewichtet werden.
Bei der Berechnung der relativen Häufigkeit wird als Bezugsgrößε eine vorgegebene Anzahl von Motor-Um¬ drehungen (z.B. 1000) gewählt. Würde man nun jedem auftretenden Verbrεnnungεausεetzer die gleiche Wertigkeit zuordnen, würde die Fehleranzeige allein von der Anzahl der Verbrennungsaussetzer abhängen, ohne zu berücksich¬ tigen, daß Verbrennungsauεεetzer im niederen Last-/Dreh- zahlbereich weit weniger schädlich sind als Verbrennungs¬ aussetzer im hohen Last-/Drehzahlbereich. Deshalb werden erfindungsgemäß die Verbrennungsauεεetzer abhängig von Last und Drehzahl vor ihrer Aufsummierung i chtungs- faktoren multipliziert. In Fig. 11 ist ein Beispiel für eine Wichtungεmatrix über dem Kennfεld dargestellt. Gegenüber der normalen Wertigkeit von 1 werdεn die Ver¬ brennungsaussetzer im unteren Last- und Drehzahlbereich mit dem Faktor 0,2 multipliziert, der mit zunehmender Drehzahl und Last erhöht wird und schließlich den Maximalwert von 1,6 erreicht. In einεr erfindungεge äßen weiteren Ausgestaltung des Verfahrεns wird diε Aussetzerεrkεnnung gänzlich innεr- halb εiner vorgebbaren Zeitdauεr unterdrückt, falls der Recheneinheit über einen Sensor εin Signal zugeht, aus welchem sich ableiten läßt, daß der Verlauf der Kurbel¬ wellendrehzahl von Einflüssen aus starken Fahrbahnuneben¬ heiten beeinflußt wird, εo daß eine ordnungsgemäße Er¬ kennung von Verbrennungsaussetzern nicht mehr möglich ist. Dieses Signal kann aus berεitε im Fahrzεug vor¬ handenen geeignetεn Senεorεignalen abgeleitet werden oder mit Hilfe von einem oder mehreren zusätzlichen Weg- bzw. Beschleunigungsaufnehmern 21 (Fig. 1) erzeugt werden.

Claims

_.Sl_.P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zur zylinderselεktivεn Überwachung des Energieumsatzes bei einer Mehrzylinder-Brennkraft¬ maschine, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß a) während des Arbeitstaktes jedεs Zylinders über einen bestimmten Kurbelwellen-Drehwinkel die Momentandrehzahl ermittelt und deren Quadrat (n2) gebildet, b) innerhalb jedeε Arbeitεεpielε der Brennkra.ft- maschine vom tatsächlichen n2-Verlauf der mittlere n2-Anstieg odεr -Abfall zur Bildung eines dynamisch korrigierten n2-Verlaufs subtrahiert, c) für jeden Zylinder die Differenz zwischen dem korrigierten n2-Wert zum Zünd-OT dieses Zylinders und dem korrigierten n2-Wert zum Zünd-OT des in der Zündfolge nächsten Zylinders gebildet wird, d) die Differenzwerte mit vorbestimmten Schwellen¬ werten verglichen werden und e) die relativen Häufigkeiten von Verbrennungsaus¬ setzern in allen Zylindern ermittelt werden, wobei im Fall der Überschreitung einer kritischen Häufigkeitsschwelle einε Fehle anzeige ausgelöst wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimraten Schwellenwerte in Abhängigkeit von der Last und der Drehzahl der Brennkraftmaschine festgεlεgt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekεnn- zeichnet, daß diε Ermittlung dεr Momentandrehzahl im wesεntlichεn übεr einen dem Zündabεtand εntsprεchεn- den Kurbelwεllen-Drehwinkel erfolgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnεt, daß a) innεrhalb εinεr vorgεbbaren Zeit die Änderung der Last- und/oder Drehzahl berechnet wird, b) die berechnete Änderung mit vorgebbaren Grenz¬ werten verglichen wird und c) bei Überschreiten eines Grenzwertes der vorbe¬ stimmte Schwellenwert über eine vorgebbare Zeit¬ dauer erhöht wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß a) die Momentandrehzahl und/oder die momentane Last mit vorgebbarεn unteren und oberen Grenzwerten verglichεn wεrden und b) bei Unterschreiten bzw. Überschreiten eines vor¬ gebbaren unteren bzw. oberen Grenzwertes der vor¬ bestimmte Schwellenwert über eine vorgebbare Zeit¬ dauer erhöht wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die vorgebbaren Grenzwerte und/oder die vorgebbare Zeitdauer in Abhängigkeit vom Betriebszu¬ stand der Brennkraftmaschine festgelegt werden.
7. Verfahren nach einεm dεr vorstεhenden Ansprüche, da¬ durch gekεnnzεichnet, daß a) die Differenz zwischen aufeinanderfolgenden Schwellenwerten gebildet wird, b) bei abfallendem Schwellenwer' er Differεnzwert mit vorgebbaren Differenzgren.Λτertεn vεrglichεn wird, und c) bεi Überschreiten eines Differenzgrenzwerts die Änderungsgeschwindigkeit der Schwellenwerte be¬ grenzt wird, derart, daß der Abfall von einem Schwellenwert auf den nächsten maximal dem vor¬ gebbaren Differenzgrenzwεrt entspricht.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzgrenzwerte für aufeinanderfolgende Schwellenwerte in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine festgelegt werden.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An¬ spruch 1 mit a) einer ersten Einrichtung zur Identifizierung der Kurbelwellenstellung, und b) einer zweiten Einrichtung zum Erfaεεen der Momen¬ tandrehzahl der Brennkraftmaschine über einen be¬ stimmten Kurbelwellen -Drehwinkel während des Arbeitstaktes jedes Zylinders, g e k e n n z e i c h n e t durch c) eine dritte Einrichtung zur Berechnung des Quadrates der ermittelten Momentandrehzahl, d) eine vierte Einrichtung zur rechnerischen dyna-, mischen Korrektur des Momentandrehzahl-Quadrats durch Subtraktion des mittleren linearen ^-An¬ stieges der -Abfalls während eines Arbeitsspielε der Brennkraftmaεchine vom tatεächlichen n2-Ver- lauf währ*, id dieses Arbeitsspiels, e) eine fünfte Einrichtung zur rechnerischen Ermitt¬ lung der Differenz zwischen aufeinanderfolgenden korrigierten n2-Werten für jeden Zylinder, f) eine εechεtε Einrichtung zum Vεrglεich der Differenzwerte mit vorbestimmten Schwellenwerten und g) eine siebte Einrichtung zur Ermittlung der relativen Häufigkeit von Verbrennungsausεetzern in allen Zylindern, wobei im Fall der Über- εchrεitung einer kritiεchen Häufigkeitsschwelle eine Fehleranzeigε ausgεlöst wird.
10. Vorrichtung nach Anεpruch 9, gekennzeichnet durch
- einε εrεte Vorsteuerεinrichtung mit a) εiner achten Einrichtung zum Berechnen der Ände¬ rung der Last- und/oder Drehzahl innerhalb eines vorgebbaren Zeitintervalls, b) einer neunten Einrichtung zum Vergleichen der berechneten Änderung mit vorgebbaren Grenz¬ werten und c) einer zehnten Einrichtung zur Erhöhung des vor- bεstimmtεn Schwellenwerts bei Überschreiten eines Grenzwerts.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch
- eine zweite Vorsteuereinrichtung mit a) einer elften Einrichtung zum Vergleichen der Momentandrehzahl und/oder momentanen Last mit vorgebbaren unteren und/oder oberen Grenzwεrten und b) einer zwölften Einrichtung zum Erhöhen des vor¬ bestimmten Schwellenwerts über eine vorgebbare Zeitdauer bei Unter- bzw. Überschreiten des unterεn bzw. obεren Grenzwerts.
12. Vorrichtung nach einεm dεr Anεprüche 9 biε 11, ge- kennzeichnet durch
- eine dritte Vorsteuεrεinrichtung mit a) einer dreizehnten Einrichtung zur Bildung der Differenz zwischen aufeinanderfolgenden Schwellεnwerten, b) einer vierzehnten Einrichtung zum Vergleichen des Differenzwerts bei abfallendem Schwellen¬ wert mit vorgebbaren Differenzgrenzwerten und c) einer fünfzehnten Einrichtung zum Begrenzen der Änderungsgeschwindigkeit der Schwellenwerte bei Überschreiten eines Differenzgrenzwertes derart daß der Abfall von einem Schwellεnwert auf den nächsten maximal dem vorgebbaren Differenz¬ grenzwert entspricht.
13. Vorrichtung nach einem der Anspruch 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß alle Einrichtungen in einer gemeinsamen Rechenεinheit integriεrt sind.
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US07/836,290 US5359518A (en) 1989-08-23 1990-08-23 Process for monitoring the power output of the individual cylinders of a multicylinder internal combustion engine

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