DE602004009400T2

DE602004009400T2 - Verfahren zur Bestimmung von Drehzahlschwankungen eines Motors

Info

Publication number: DE602004009400T2
Application number: DE200460009400
Authority: DE
Inventors: Alexander Stotsky
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2004-01-31
Filing date: 2004-01-31
Publication date: 2008-07-10
Anticipated expiration: 2024-02-01
Also published as: DE602004009400D1; EP1559898A1; EP1559898B1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft Verfahren zum Bestimmen der Motordrehzahlschwankung aus abgetasteten Messdaten, im Besonderen Kurbelwinkelpositionen, die durch einen Kurbelwinkelsensor vorgegeben werden. Die Erfindung betrifft des Weiteren Verfahren zum Bestimmen der Schwankung der Motordrehzahl, wobei ein Polynom, das durch eine Menge von Modellkoeffizienten beschrieben wird, an die Messdaten angepasst wird. Das Polynom wird verwendet, um die Schwankung der Motordrehzahl zu beschreiben. Im Besonderen betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen der Schwankung der Motordrehzahl unter Verwendung eines trigonometrischen Polynoms.
STAND DER TECHNIK
Neue gesetzliche Anforderungen für die Abgasemissionsbestimmungen, die in jüngster Zeit durch den Staat Kalifornien und die Umweltbehörde Environmental Protection Agency auferlegt wurden, fordern die Fähigkeit zum Durchführen kontinuierlicher Überwachung des Motordrehmoments, von Fehlzündungen, des Zustands des Nockenform-Umschaltsystems (CPS – Cam Profile Switching System) und einiger anderer Variablen. Mehrere Verfahren für die Fehlzündungsdiagnose ( US 5.862.507 und Bezüge darin), Motordrehmomentüberwachung ( US 2003/0167118 A1 ; US 6.029.109 ; US 6.223.120 ; US 6.234.010 und Bezüge darin) und Nockenform-Umschaltsystemüberwachung ( US 6.006.152 ) basieren auf den Drehzahlschwankungsdaten, die aus einem Hochauflösungs-Motordrehzahlsignal gewonnen werden. Dies erfordert wiederum gute Qualität des Hochauflösungs-Motordrehzahlsignals. Andererseits erfordern steigende Nachfragen nach dem geforderten Motordrehmoment und der geforderten Fahrbarkeit von Neuserien-Fahrzeugen leistungsstärkere Mehrzylindermotoren. Serienmotoren mit erhöhter Anzahl der Zylinder erfordern bessere Qualität eines Kurbelwellen-Messsystems, das das Hochauflösungs-Motordrehzahlsignal berechnet.
Als Regel wird bei Serienmotoren die Zeit gemessen, die bei dem Passieren eines festen Punktes durch zwei Zähne verstreicht. Das Hochauflösungs-Motordrehzahlsignal wird dann über die verstrichene Zeit unter Verwendung eines ersten Differenzverfahrens berechnet. Die Verbrennungsamplitude kann an dem Hochauflösungs-Motordrehzahlsignal unterschieden werden, wenn ein Minimum von vier Punkten für jedes Verbrennungsereignis gemessen wird. Das Hochauflösungs-Motordrehzahlsignal wird auf der Basis eines Kurbelwinkels (KW) mit dem Schritt Δ abgetastet, nämlich
wobei Δ der Diskretisierungsschritt (KW-Grade) ist, N die Anzahl der Zylinder des Motors ist, n_p die Anzahl von Punkten ist, die für jedes Verbrennungsereignis gemessen werden (n_p ≥ 4), und L_c die Länge des Motortaktes in KW-Graden ist (als Regel L_c = 720°). Da eine Motorkurbelwelle normalerweise mit 58 Zähnen und einem zwei fehlenden Zähnen entsprechenden Zwischenraum versehen ist, sollte der Schritt Δ ein Vielfaches von 6° sein. Dann beträgt der Diskretisierungsschritt, der fünf Punkten pro Verbrennung entspricht, bei Achtzylindermotoren 18°, wobei dies zwei Mal weniger ist als der Diskretisierungsschritt bei Fünfzylindermotoren, der vier Punkten pro Verbrennungsereignis entspricht. Die Verringerung des Diskretisierungsschrittes führt zu einer höheren Prozessorlast und es verursacht Zeitintervallfehler bei hohen Motordrehzahlen. Eine Durchgangszeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zähnen wird bei steigender Drehzahl geringer, wobei Zeitintervallfehler zunehmen und dies wiederum zu Fehlern bei dem Hochauflösungs-Motordrehzahlsignal bei hohen Drehzahlen führt. Darüber hinaus wirken Niederfrequenzschwingungen von dem Antrieb und Hochfrequenzschwingungen auf Grund von Kurbelwellentorsion zusammen mit durch die Straße induzierten Vibrationen als Störungen auf die Kurbelwelle.
In DE 101 23 022 wird ein Verfahren zum Detektieren einer Drehzahl eines Verbrennungsmotors, der periodische Drehzahlschwingungen zeigt, offengelegt. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
Abtasten eines mit der Kurbelwelle verbundenen Sektorrades an einem Abtastort;
Bestimmen einer Zeit, die ein Sektor mit einer Sektorgröße zum Passieren des Abtastortes benötigt;
Abrufen von betriebsparameterabhängigen Korrekturfaktoren aus einer Kennliniendarstellung, wobei die betriebsparameterabhängigen Korrekturfaktoren Entwicklungskoeffizienten zum Modellieren der periodischen Drehzahlschwingungen sind, die bei Betrieb des Verbrennungsmotors auftreten, wobei die betriebsparameterabhängigen Korrekturfaktoren Entwicklungskoeffizienten einer Fourier-Reihe sind; und
Korrigieren der bestimmten Zeit durch Bestimmen einer korrigierenden Anpassung für die periodischen Drehzahlschwingungen unter Verwendung der betriebsparameterspezifischen Korrekturfaktoren und Ermitteln einer korrigierten Zeit unter Verwendung der bestimmten Zeit und der korrigierenden Anpassung. Die periodische Drehzahlschwingung wird durch eine Fourier-Synthese simuliert. Die Simulation erfordert jedoch, dass der Verbrennungsmotor zuvor auf einem Prüfstand gemessen wurde, wobei die periodische Kurve der Schwingung für so viele Betriebsparameter oder Betriebspunkte des Verbrennungsmotors wie möglich aufgezeichnet wird und in entsprechende Synthesekoeffizienten umgewandelt wird.
Eine Anzahl von Fehlzündungsdetektiertechniken basiert auf der Identifizierung der Kurbelwellenstörungen ( US 5.734.100 ; US 5.906.652 ). Das Motorverhalten wird während des Zustands der Kraftstoffzufuhrunterbrechung gelernt und kompensiert, wenn der Motor mit Kraftstoff versorgt wird. Die Änderungen der Motordrehzahl auf Grund der unvorhersehbaren stochastischen externen Interferenz oder sogar Fehlzündungen können jedoch in dem Zustand der Kraftstoffzufuhrunterbrechung auftreten. Wenn eine Fehlzündung während des Lernprozesses gelernt wird, dann würde sie während Motorverhaltens bei Kraftstoffversorgung kompensiert werden und dies führt daher zu der Verschlechterung der Lerngenauigkeit. Darüber hinaus korrigieren diese Kompensationsschemas nicht bei den Kurbelwellenschwingungen, wenn der Motor mit Kraftstoff versorgt wird, und erfordern signifikante Kalibrierungsmaßnahmen für unterschiedliche Fahrzeugbetriebsbedingungen.
Eine Anzahl von Drehmomentschätztechniken, die in der Literatur bekannt sind (siehe zum Beispiel US 5.771.482 ; US 6.223.120 usw.), erkennen die Kurbelwelle als einen flexiblen Körper. Modellinversionstechniken (Eingangsbeobachtungseinrichtungen) werden zum Schätzen von Systemeingängen (Drehmomente, die auf jede Kurbelkröpfung wirken) über Systemausgänge (Winkelantwortmessungen) eingesetzt. Bei Mehrzylin dermotoren, bei denen die Anzahl der Zylinder größer ist als die Anzahl von Winkelantwortmessorten, ist die Anzahl unbekannter Systemeingänge größer als die Anzahl bekannter Ausgänge. Pseudoinverse Techniken, die auf den Fall der Systemeingangsschätzung angewendet werden, ergeben keine genaue Lösung für Drehmomente einzelner Zylinder. Eine Anzahl von Fehlzündungsdetektieransätzen, die in der Literatur bekannt sind, analysiert die Motorzündfrequenz über eine diskrete Fourier-Transformation (OFT) (siehe zum Beispiel Ginoux, S., Champoussin, J. C., Engine Torque Determination by Crankangle Measurements: State of the Art, Future Prospects, Electronic Engine Controls; 1997; Seite 1236 ff. (1997), US 5.771.482 ; US 6.223.120 , 2003/0167118 A1 ). Die Fourier-Reihen-Koeffizienten, die kontinuierliche Zeitintegralfunktionen darstellen, werden über diskrete Summen genähert, wobei vorausgesetzt wird, dass das Abtastintervall korrekt ausgewählt wird. Viele Fehlzündungsdiagnosefunktionen nutzen das Abtasten der Motorkurbelwellendrehzahl mit niedriger Rate. Typischerweise wird die Kurbelwellendrehzahl ein Mal pro Zylinderzündungsereignis abgetastet. Bei einer Abtastung mit einer solch niedrigen Rate könnte der Fehler zwischen Fourier-Koeffizienten kontinuierlicher Zeit und ihren diskreten Zeitnäherungen ausreichend groß sein, dass dies wiederum zu der Signalqualitätsverschlechterung führt. Darüber hinaus werden harmonische Komponenten hoher Ordnung der Motorzündfrequenz, die oft wertvolle Fehlzündungsinformationen (Verbrennungsqualitätsinformationen) für höhere Motordrehzahlen enthalten, innerhalb des Bereiches von Motorfrequenzen in Verbindung mit niedrigerem Rauschen häufig rückgefaltet oder durch Unterabtastung verfälscht. Diese verfälschten Signale können Fehlinterpretation der Zylinderzündereignisdaten verursachen. Zusätzlich wird der DFT-Ansatz in der Industrie typischerweise als rechentechnisch komplex erachtet und war daher für die bordgestützte Echtzeitschätzung nicht machbar. Diese Fakten machen die Entwicklung neuer rechentechnisch effizienter rekursiver Algorithmen erforderlich, die die Verbrennungsfrequenzkomponente bei Echtzeit-Motorsteueranwendungen von dem Drehzahlsignal trennen können.
In der 1 wird ein einzelner Motortakt für einen Achtzylindermotor angegeben, der bei 1800 U/min arbeitet. In der Hochfrequenzkomponente der Motordrehzahl sind acht Verbrennungen klar erkennbar. Hier und im Folgenden sind unter dem Begriff „Hochfrequenzkomponente" der Motordrehzahl die periodischen Schwingungen bei der Motordrehzahl, die den Verbrennungsereignissen entsprechen, zu verstehen. Der Verbren nungszustand eines vorgegebenen Zylinders wird über die Amplitude definiert, die wiederum als die Differenz zwischen dem jeweiligen Minimal- und Maximalwert für einen einzelnen Zylinder definiert wird, wobei der Arbeitshub in dem Intervall aufgetreten ist. Die entsprechende Amplitude wird zum Schätzen des Motordrehmoments und zum Detektieren einer Fehlzündung verwendet. Die Hochfrequenzkomponente der Motordrehzahl für einen Achtzylindermotor wird mit der durchgezogenen Linie dargestellt. Der Kurbelzähler wird mit gepunkteter Linie dargestellt.
In der 2 wird ein einzelner Motortakt für einen Achtzylindermotor angegeben, der bei 5400 U/min arbeitet. Acht Verbrennungen sind in diesem Takt nicht erkennbar. Stattdessen enthält die Hochfrequenzkomponente der Motordrehzahl Schwankungen, die auftreten als eine Folge davon, dass der Verbrennungsprozess mit den Zeitintervallfehlern, Niederfrequenzschwingungen von dem Antrieb und Hochfrequenzschwingungen auf Grund der Kurbelwellentorsion kontaminiert ist. Die Hochfrequenzkomponente der Motordrehzahl wird mit der durchgezogenen Linie dargestellt. Der Kurbelzähler wird mit gepunkteter Linie dargestellt.
3 zeigt die Frequenzverteilungen bei Motordrehzahlen von 1800 U/min und 5400 U/min. Die Verbrennungsfrequenz wird definiert als
wobei N die Anzahl der Motorzylinder ist. Es ist leicht zu sehen, dass bei niedrigen Motordrehzahlen die Verbrennungsfrequenz dominiert wird, während bei hohen Motordrehzahlen der Verbrennungsprozess sowohl durch Nieder- als auch durch Hochfrequenzrauschen kontaminiert wird. Bei hohen Motordrehzahlen könnten die Hochfrequenzschwingungen auf Grund der Kurbelwellenverwindung und Niederfrequenzschwingungen von dem Antrieb größer sein als die Schwingungen auf Grund von Verbrennungsereignissen. Die Figur zeigt die Amplituden der Frequenzen bei Motordrehzahlen von 1800 U/min und 5400 U/min. Die Amplituden bei 1800 U/min sind mit durchgezogener Linie dargestellt und die Amplituden bei 5400 U/min sind mit der gestrichelten Linie dargestellt.
Die oben beschriebenen Fakten machen die Entwicklung rechentechnisch effizienter Algorithmen erforderlich, um die Motordrehzahlschwankungen entsprechend dem Verbrennungsprozess aus rauschkontaminierten Messungen wiederzugewinnen.
OFFENLEGUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, rechentechnisch effiziente Algorithmen bereitzustellen, um die Motordrehzahlschwankungen entsprechend dem Verbrennungsprozess aus rauschkontaminierten Messungen wiederzugewinnen.
Es werden zwei Ansätze in Betracht gezogen. Der Erste basiert auf der trigonometrischen Interpolation gemessener Motordrehzahldaten im Sinne kleinster Quadrate. In Anwendung der Idee eines sich zeitlich bewegenden Fensters bestimmter Größe (siehe Diop, S., Grizzle, J., Moraal, P., Stefanopoulou, A., Interpolation and Numerical Differentiation for Observer Design, Proc. American Control Conference), Baltimore, Maryland, S. 1329 bis 1333 (1999)) auf numerische Differenzierung unter Verwendung eines Polynoms einer bestimmten Ordnung wird das trigonometrische Polynom hier an die gemessenen Daten im Sinne kleinster Quadrate angepasst. Trigonometrische Interpolation ist für die Motordrehzahlnäherung auf Grund der periodischen Natur sowohl von Motordrehdynamik als auch von Verbrennungskräften als Funktionen eines Kurbelwinkels recht geeignet. Das trigonometrische Polynom verwendet die Verbrennungsfrequenz, wobei die Koeffizienten des Polynoms rekursiv in dem Fenster aktualisiert werden, das sich zeitlich bewegt (Kurbelwinkel). Die Technik stellt Filterung bei der Verbrennungsfrequenz bereit. Das Anwenden der Idee der rekursiven Berechnungen auf das Moving-Window wird beschrieben von Stotsky, A., Forgo, A (2003), Recursive Spline Interpolation Method for Real Time Engine Control Applications, Control Engineering Practice to appear (2003), wobei die rechentechnisch effizienten rekursiven Algorithmen in diesem Fall für trigonometrische Polynome entwickelt werden. Ein anderer Ansatz zum Rekonstruieren der Verbrennungsinformationen aus den rauschkontaminierten Daten basiert auf dem Kacmarz-Algorithmus (Kacmarz, S. (1937), Angenäherte Auflösung von Systemen Linearer Gleichungen, {Bulletin Internat. Academie Polon. Sci. Lett. Cl. Sci. Math. Nat A}.). Der Algorithmus stellt genaues Anpassen des trigonometrischen Polynoms an eine Anzahl von Frequenzen bei jedem diskreten Schritt bereit. Die Koeffizienten des Polynoms werden bei jedem Schritt aktualisiert und die Filterung erfolgt bei der Ver brennungsfrequenz, wobei alle anderen Frequenzen, wie in dem vorhergehenden Fall, als Störungen erachtet werden. In den Versuchen wurde ein mit einem V8-Motor ausgestatteter Personenkraftwagen von Volvo verwendet. Algorithmen werden in dem Matlab unter Verwendung gemessener Daten implementiert.
Bei einem ersten Aspekt der Erfindung wird, wie in dem Anspruch 1 beschrieben, ein rekursiver rechentechnisch effizienter Filteralgorithmus bei der Verbrennungsfrequenz definiert, der darauf basiert, das trigonometrische Polynom im Sinne kleinster Quadrate an die Daten in einem Moving-Window in Bezug auf den Kurbelwinkel anzupassen. Bei dem Verfahren gemäß der Definition in Anspruch 1 wird ein trigonometrisches Polynom zugeordnet, das die Motordrehzahl darstellt. Das trigonometrische Polynom basiert auf einer Menge trigonometrischer Basisfunktionen steigender Ordnung, die einen festen Wert enthalten können. Die trigonometrischen Basisfunktionen werden mit einem Modellkoeffizienten multipliziert. Des Weiteren wird eine Menge von Messdaten in einem Moving-Window der Größe w abgerufen. Das trigonometrische Polynom wird durch Bestimmen der Modellkoeffizienten im Sinne kleinster Quadrate zu den Messdaten in dem Moving-Window interpoliert. Nachdem die Modellkoeffizienten in einem Schritt bestimmt wurden, wird das Fenster durch Eingeben neuer Messdaten und Verwerfen der ersten Messdaten in dem Fenster bewegt. Erfindungsgemäß werden Modellkoeffizienten nach dem Bewegen des Fensters durch rekursive Verwendung von Modellkoeffizienten bestimmt, die in dem Schritt vor dem Bewegen des Fensters bestimmt wurden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ausführungen der Erfindung werden im Folgenden ausführlicher unter Bezugnahme auf die angehängten Figuren beschrieben, wobei:
1 Messungen mit dem Schritt 30 KW bei einem einzelnen Motortakt für einen bei 1800 U/min arbeitenden Achtzylindermotor zeigt;
2 Messungen mit dem Schritt 30 KW bei einem einzelnen Motortakt für einen bei 5400 U/min arbeitenden Achtzylindermotor zeigt;
3 die Frequenzverteilungen bei den Motordrehzahlen 1800 U/min und 5400 U/min zeigt;
4 einen Schritt eines Moving-Window zeigt, wobei die Motordrehzahl für einen V8-Motor mit dem Schritt Δ = 30° gemessen wird;
5 Messungen mit dem Schritt 30 KW an dem V8-Motor für einen einzelnen Motortakt und ein Filter unter Verwendung von vier Frequenzen zeigt;
6 Messungen mit dem Schritt 30 KW an dem V8-Motor zeigt. Dargestellt wird ein einzelner Motortakt und ein Filter unter Verwendung einer Einzelfrequenz.
7 Drehmomentschätzung unter Verwendung trigonometrischer Interpolation des Kurbelwellenwinkels zeigt;
8 Motordrehzahlschätzung unter Verwendung trigonometrischer Interpolation bei Leerlauf-Motordrehzahl zeigt;
9 die Hochfrequenzkomponente der Motordrehzahl für ein gestörtes System zeigt, wobei die Fehlzündung in dem dritten Zylinder erzeugt wird;
10 die Amplitude der Motordrehzahl für Fehlzündung bei jedem Takt des dritten Zylinders zeigt;
11 die Anwendung des trigonometrischen Interpolationsverfahrens für das Detektieren einer Fehlzündung bei hoher Motordrehzahl zeigt;
12 die Amplitude für Fehlzündung bei jedem Takt des dritten Zylinders zeigt;
13 die Eigenschaften eines Filters unter Verwendung eines Kacmarc-Aktualisierungsgesetzes zeigt;
14 die Amplitude der Pulsation der Motordrehzahl für den dritten Zylinder zeigt, die mit Hilfe eines gefilterten Signals berechnet wurde;
15 eine Näherung des gemessenen Signals durch den Kacmarz-Algorithmus mit vier beteiligten Frequenzen durch die Plus-Linie dargestellt zeigt;
16 die Amplitude der Drehzahlschwankungen für den dritten Zylinder zeigt, der bei jedem Takt fehlzündet;
17 einen Verbrennungsmotor in schematischer Form zeigt;
18 eine Ventilbaugruppe zeigt, bei der zwei mögliche Nockenmodi angewendet werden können.
ART(EN) DER AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Im Folgenden werden Theorie und Anwendung der unterschiedlichen Ausführungen der Erfindung beschrieben.
Zuerst wird eine allgemeine Beschreibung des trigonometrischen Interpolationsverfahrens beschrieben.
Es wird angenommen, dass es eine Menge von Daten y_I, I = 1, ..., w, gemessen mit dem durch den Schritt Δ synchronisierten Kurbelwinkel, gibt,
Nimmt man an, dass die Anzahl von Messungen w größer oder gleich (2n + 1) ist, wobei n die Anzahl von Frequenzen des Signals ist, dann wird das trigonometrische Polynom wie folgt definiert:
Es ist zu beachten, dass die in (3) definierten Frequenzen q die Verbrennungsfrequenz und vorzugsweise niedrige Antriebsfrequenzen und hohe Frequenzen auf Grund der Kurbelwellentorsion enthalten sollten. Mit anderen Worten sind beim Auswählen von q zwei Frequenzgrenzen wichtig. Durch Analysieren des Einflusses einer Last, die über die Kurbelwelle auf den Motor angewendet wird, kann ein Niederfrequenzschwellenwert identifiziert werden, bei dem die Last verrauschte Schwingungen an dem Schwungrad induziert. Andererseits ergibt die Kurbelwellenschwingungsanalyse eine obere Frequenzgrenze, bei der die Kurbelwelle als starrer Körper erachtet wird. Daher ist q aus dem Intervall q ≤ q ≤ q auszuwählen, wobei q, q die Nieder- und Hochfrequenzgrenzen sind.
Gemessene Daten sollten mit dem Polynom (3) im Sinne kleinster Quadrate genähert werden. Der bei jedem Schritt zu minimierende Fehler lautet wie folgt
Koeffizienten des Polynoms erfüllen die folgenden Gleichungen:
wobei i = 1, 2, ..., n. Gleichung (5) stellt ∂E/∂a₀ = 0 dar, während Gleichung (6) ∂E/∂a_q = 0 darstellt, und abschließend stellt die Gleichung (7) ∂E/∂a_q = 0 dar.
Da die Menge von Punkten in Bezug auf den Kurbelwinkel mit der festen Schrittgröße und in dem Intervall [0, 360°] gemessen wird, gilt dann
Des Weiteren gilt
Die Summen auf der rechten Seite der Gleichungen (9), (10) sind gleich Null. Auf ähnliche Weise gilt
für alle q und r, q ≠ r. Abschließend gilt
Das System (5) bis (7) kann unter Berücksichtigung von (8) bis (13) wie folgt geschrieben werden:

für i = 1, 2, ..., n.
Die Koeffizienten (14) bis (16) können aus den Fourier-Koeffizienten für die Funktion y = f(x) hergeleitet werden.
wenn die Integrale (17) bis (19) mit entsprechenden Summen genähert werden.
Das Hauptergebnis dieses Abschnitts wird im Folgenden formuliert.
Ein Moving-Window und die Verwendung rekursiver Algorithmen werden im Folgenden vorgestellt:
Der Umfang von Berechnungen beim Berechnen von (14) bis (16) kann durch Einführung der lokalen festen Koordinaten verringert werden, d. h. Moving-Window einer Größe w. Eine ähnliche Idee wurde in dem von Diop et al. (1994) beschriebenen Spline-Interpolationsverfahren beschrieben, das auf Online-Fehlerquadrat-Polynom-Anpassung über das sich zeitlich bewegende Fenster basiert. Die Idee des sich zeitlich bewegenden Fensters wird in 4 dargestellt. Das Fenster ist nämlich die Einführung der lokalen Koordinaten X_L, Y_L. Dann wird das Fehlerquadrat-Kurvenanpassungsproblem mit lokalen Koordinaten gelöst und das Ergebnis wird in ein ursprüngliches Koordinatensys tem umgewandelt. Darüber hinaus können die Koeffizienten (14) bis (16) in lokalen Koordinaten unter Verwendung der Informationen aus dem vorhergehenden Schritt rekursiv berechnet werden. Dies macht das gesamte Schema rechentechnisch effizient und implementierbar.
Es wird nun ein Schritt des sich zeitlich bewegenden Fensters betrachtet. Es wird angenommen, dass es eine Menge von Maßen bei Schritt k – 1, y(1), y(2), y(3), ..., y(w) (20),gibt, die in dem lokalen Koordinatensystem auf Basis des Kurbelwinkels 0, Δ, 2Δ, ..., (w – 1)Δ (21)gemessen wird. Bei Schritt k fließt ein neuer Wert y(w + 1) in das Fenster ein, während y(1) das Fenster verlässt. Folglich besteht bei Schritt k eine Menge von Maßen, y(2), y(3), y(4), ..., y(w + 1) (22),gemessen in dem lokalen Koordinatensystem 0, Δ, 2Δ, ..., (w – 1)Δ (23),wobei Δ durch (1) definiert wird. Ein Schritt des Moving-Window wird in 4 gezeigt, wobei die Motordrehzahl für einen V8-Motor mit dem Schritt Δ = 30° gemessen wird. Die Motordrehzahl wird mit der durchgezogenen Linie dargestellt. Das Fenster der Größe w = 12, das sich zeitlich bewegt, wird in der Form lokaler Koordinaten X_L, Y_L definiert.
Die Koeffizienten (14) bis (16) bei dem Schritt (k – 1) werden wie folgt definiert:
wobei q die Frequenz bezeichnet. Die Koeffizienten (14) bis (16) bei Schritt k werden wie folgt definiert:
Dann sind die Koeffizienten (27) bis (29) über die Koeffizienten (24) bis (26) auszudrücken.
Berechnungen ergeben den Ausdruck für den ersten Koeffizienten
wobei dies bedeutet, dass der Wert y(w + 1) in das Fenster einfließt, während der Wert y(1) das Fenster verlässt.
Beginnend mit a_qk erhält man:
Die Rechenlast könnte unter Verwendung der rekursiven Formeln (30) bis (32) in ausreichendem Maße verringert werden.
Zur späteren Erleichterung sind die Gleichungen bei der trigonometrischen Interpolation im Folgenden aufgelistet. Die Motordrehzahl wird gemäß der folgenden Gleichung genähert
und die Koeffizienten werden wie folgt aktualisiert:
Der Wert des interpolierenden Polynoms ω _k wird an dem Ende des Moving-Window (w – 1)Δ genommen (siehe 4).
Des Weiteren wird in dem Dokument die trigonometrische Interpolation als ein Filter bei der Verbrennungsfrequenz verwendet, d. h. ω k = a0k + ack cos(qc(w – 1)Δ) + bck sin(qc(w – 1)Δ) (37),wobei q_c = Nπ/360 die Verbrennungsfrequenz ist und N die Anzahl der Motorzylinder ist.
Die Verbrennungsfrequenz ist die Frequenz des Signals, dessen Periode 720°/N ist. Die Koeffizienten a_0k, a_ck, b_ck werden gemäß den rekursiven Formeln (34) bis (36) berechnet.
Die Verifizierungsergebnisse des oben vorgeschlagenen Verfahrens werden in 5 angegeben. Die Algorithmen (33) bis (36) wurden bei vier Frequenzen geprüft, die bei der Fenstergröße w = 12 beteiligt waren. Die Figur zeigt Messungen mit dem Schritt 30 KW an dem V8-Motor. Es wird ein einzelner Motortakt dargestellt. Die Motordrehzahl beträgt 4800 U/min und sie wird mit der durchgezogenen Linie dargestellt. Die Näherung des gemessenen Signals durch die trigonometrische Interpolation mit einer Anzahl beteiligter Frequenzen wird mit gepunkteter Linie dargestellt.
Die Verifizierungsergebnisse der gleichen Algorithmen werden, lediglich bei einer Verbrennungsfrequenz, in 6 angegeben. 6 zeigt Messungen mit dem Schritt 30 KW an dem V8-Motor. Es wird ein einzelner Motortakt dargestellt. Die Motordrehzahl beträgt 4800 U/min und sie wird mit der durchgezogenen Linie dargestellt. Das gefilterte Signal, das der Zündfrequenz entspricht, wird mit gepunkteter Linie dargestellt. Die Größe des Moving-Window entspricht 12 (w = 12).
Wie anhand der 5 zu sehen ist, kann die gemessene Motordrehzahl durch das trigonometrische Interpolationsverfahren bei dem sich zeitlich bewegenden Fenster gut genähert werden. Das durch das Filter (37) gefilterte Signal wird in 6 dargestellt. Wie aus der Figur ersichtlich ist, können die Amplitudeninformationen aus dem gefilterten Signal wiedergewonnen werden.
Das oben vorgeschlagene Verfahren kann außerdem auf die Nockenprofilveränderungs-Diagnose angewendet werden. Das Ventilhubereignis kann nicht direkt gemessen werden und es sind spezielle Diagnosealgorithmen auf Basis von indirekten Informationen über den Ventilhub erforderlich, um eine Störung in dem System zu erkennen. Eines der Nockenprofilveränderungs-Diagnoseverfahren basiert auf der Verbrennungszustandsüberwachung unter Verwendung von Schwankungen bei der Motordrehzahl. Das Verfahren basiert auf der Tatsache, dass der Verbrennungszustand während des Veränderung beträchtlich geändert wird (Schwarzenthal, 1999). Diese Erfindung verwendet die Technik der Verbrennungszustands-Überwachung über Unregelmäßigkeiten bei der Motordrehzahl. Die Unregelmäßigkeiten sind mit dem Nockenprofilveränderungs-Zustand verbunden. Bei hohen Motordrehzahlen werden die Informationen über Motordrehzahl-Unregelmäßigkeiten durch Rauschen beschädigt und es können die Algorithmen (33) bis (36) zum Wiedergewinnen der Nockenprofilveränderungs-Zustandsinformationen verwendet werden.
Im Folgenden wird ein Verfahren zum Schätzen von Drehmoment auf Basis der oben beschriebenen trigonometrischen Interpolation beschrieben.
Es ist bekannt, dass die zeitliche Änderung der Kurbelwellenwinkelgeschwindigkeit zu dem Nettodrehmoment, das auf das System wirkt, proportional ist. Die Motordrehdynamik kann wie folgt beschrieben werden: Jω .(t) = Te – TI(38)wobei ω die Drehzahl eines Motors ist, J das Kurbelwellen-Trägheitsmoment ist, T_e das zu der Zeit t von allen Zylindern erzeugte Drehmoment eines Motors ist und T_I das Motorlastdrehmoment ist. Gleichung (38) kann unter Verwendung der Kettenregel der Differenzierung und unter Einsatz des Kurbelwinkels θ als unabhängige Variable in den Kurbelwinkelbereich umgeformt werden
Durch Integrieren über das Kurbelwinkelintervall [θ_s, θ_f], wobei θ_s der Anfangswinkel des Intervalls ist und θ_f der Endwinkel ist, wobei die Motordrehzahl den Minimal- bzw. den Maximalwert für einen Einzelzylinder erhält, dessen Arbeitshub in dem Intervall auftritt, erhält man
Unter der Annahme, dass das Drehmoment eine kontinuierliche Funktion mit dem Intervall [θ_s, θ_f] ist, besteht dann θ₁ ∊ [θ_s, θ_f], so dass das Folgende gilt:
Durch Einsetzen von (41) in (40) wird die Amplitude wie folgt definiert:
wobei A_i, i = 1, ..., N die Kurbelwellendrehzahlschwankung in dem Kurbelwinkelintervall [θ_s, θ_f] ist, wobei N die Anzahl der Zylinder ist. Diese Schwankung A_i ist das Maß des Nettomotordrehmoments in dem beteiligten Intervall. Gleichung (42) ermöglicht das Bestimmen des mittleren Wertes des Drehmoments, das von dem Zylinder erzeugt wird, dessen Arbeitshub in dem Intervall auftritt. Die Amplituden A_i werden über ein bestimmtes Intervall gemittelt, typischerweise für 10 bis 15 Ereignisse. Das Motordrehmoment wird über die mittlere Amplitude A geschätzt. 7 stellt die Verifizierung vorgeschlagener Algorithmen dar. Das in einer Ausrüstung gemessene Drehmoment wird mit der durchgezogenen Linie dargestellt und das geschätzte Drehmoment, das unter Verwendung des gefilterten Signals (37) gewonnen wurde, wird mit gepunkteter Linie dargestellt. Die Figur zeigt Messungen an dem V8-Motor. Die Motordrehzahl beträgt 4800 U/min. Das gemessene Motordrehmoment wird mit durchgezogener Linie dargestellt. Das geschätzte Drehmoment wird mit gepunkteter Linie dargestellt.
8 zeigt eine gute Übereinstimmung zwischen gemessenen und geschätzten Drehmomenten. Die Figur zeigt Messungen mit dem Schritt 30 KW an dem V8-Motor. Es wird ein einzelner Motortakt dargestellt. Der Motor arbeitet im Leerlauf. Die Motordrehzahl beträgt 700 U/min und ihre Hochfrequenzkomponente wird mit der durchgezogenen Linie dargestellt. Die Näherung des gemessenen Signals durch die trigonometrische Interpolation bei der Verbrennungsfrequenz wird mit der Strich-Punkt-Linie dargestellt. Das Kurbelzählersignal wird mit gepunkteter Linie dargestellt.
Im Folgenden wird die Anwendung des trigonometrischen Interpolationsverfahrens bei der Fehlzündungsdiagnose beschrieben.
Fehlzündung ist der Zustand eines Motors, bei dem die Verbrennung auf Grund der Fehler bei Kraftstoffversorgung oder Zündung nicht eintritt. Im Falle der Fehlzündung werden unverbrannter Kraftstoff und Luft in den Katalysator gepumpt, wobei dessen Temperatur erhöht wird und Schäden verursacht werden. Als Folge beeinträchtigen solche Fehlzündungen die Langzeitleistung des Abgasemissions-Steuersystems. Die Fehlzündungen verursachen Änderungen der Kurbelwellendrehzahl, da ein fehlgezündeter Zylinder kein Drehmoment bereitstellen kann. Um einen fehlzündenden Zylinder zu detektieren, wird der Kurbelwellendrehkreis in die Segmente mit der Länge von 720/N KW-Graden geteilt. Dann wird die Zeit berechnet, die die Kurbelwelle unter normalen Bedingungen (keine Fehlzündung) benötigt, um sich durch ein Segment hindurch zu drehen. Wenn diese Zeit bekannt ist, kann eine scheinbare Fehlzündung detektiert werden, indem die gemessene Segmentdurchlaufzeit mit der Bezugszeit verglichen wird. Die Segmentdurchlaufzeit wird mit steigender Drehzahl geringer; dadurch nehmen Zeitintervallfehler zu, was wiederum zu den Fehlern beim Fehlzündungsdetektieren führt. Häufigeres Abtasten, wie zum Beispiel mit der Rate (1), führt zu der Verbesserung der Fehlzündungsdiagnosefunktion. Bei hohen Motordrehzahlen sind die Fehlzündungen jedoch kaum erkennbar, da das Signal von Interesse rauschkontaminiert ist.
Die oben beschriebene Technik kann auf die Verbrennungsqualitätsüberwachungsfunktionen, d. h. Fehlzündungsdiagnose, angewendet werden. 8 zeigt die Motordrehzahl des im Leerlauf arbeitenden störungsfreien Achtzylindermotors. Die Motordrehzahl wird durch das Filter (37) gefiltert.
Wie in 8 gezeigt wird, kann die Motordrehzahl bei störungsfreiem System gut durch (37) genähert werden.
Die Hochfrequenzkomponente der Motordrehzahl bei einem gestörten System, bei dem die Fehlzündung in dem dritten Zylinder (statt der vierten Verbrennung) erzeugt wird, wird in 9 dargestellt. Die Fehlzündung wird über eine Änderung des multiplikativen Faktors der Einspritzzeitsteuerung für den dritten Zylinder erzeugt. Die Figur zeigt Messungen mit dem Schritt 30 KW an dem V8-Motor. Es wird ein einzelner Motortakt dargestellt. Der Motor arbeitet im Leerlauf. Die Motordrehzahl beträgt 700 U/min und ihre Hochfrequenzkomponente wird mit der durchgezogenen Linie dargestellt. Die Näherung des gemessenen Signals durch die trigonometrische Interpolation bei der Verbrennungsfrequenz wird mit der Strich-Punkt-Linie dargestellt. Das Kurbelzählersignal wird mit gepunkteter Linie dargestellt. Die Größe des Moving-Window entspricht 6, w = 6.
10 zeigt die Amplitude (die Differenz zwischen den Extremwerten) der Motordrehzahl für Fehlzündung bei jedem Takt des dritten Zylinders, die unter Verwendung von (42) berechnet wird. Die Fehlzündung ist an dem gefilterten Signal klar erkennbar. Die Amplitude (Differenz zwischen dem Maximal- und dem Minimalwert) der Motordrehzahlpulsation des dritten Zylinders wird mit der durchgezogenen Linie als eine Funktion der Schrittzahl dargestellt. Jeder Schritt beträgt 30 KW. Das Kraftstoffsignal wird mit der Strich-Punkt-Linie dargestellt. Das Kraftstoffsignal ist ein multiplikativer Faktor für das Einspritzzeitsteuerungssignal für den dritten Zylinder. Der Motor arbeitet im Leerlauf. Die Fehlzündung wird in jedem Takt erzeugt.
Wie anhand der 8 und 9 ersichtlich ist, kann die Motordrehzahl sowohl bei einem störungsfreien als auch bei einem gestörten System durch (37) gut genähert werden.
Bei niedrigen Motordrehzahlen kann die Fehlzündung außerdem unter Verwendung eines Originalsignals detektiert werden. Bei hohen und verrauschten Motordrehzahlen kann das Originalsignal nicht verwendet werden. 11 zeigt die Anwendung des trigonometrischen Interpolationsverfahrens auf das Detektieren einer Fehlzündung bei hoher Motordrehzahl. Die Größe des Moving-Window ist w = 12. Die Figur zeigt Messungen mit dem Schritt 30 KW an dem V8-Motor. Es wird ein einzelner Motortakt dargestellt. Die Motordrehzahl beträgt 5000 U/min und ihre Hochfrequenzkomponente wird mit der durchgezogenen Linie dargestellt. Die Näherung des gemessenen Signals durch die trigonometrische Interpolation bei der Verbrennungsfrequenz wird mit der Strich-Punkt-Linie dargestellt. Das Kurbelzählersignal wird mit gepunkteter Linie dargestellt. Die Größe des Moving-Window entspricht 12, w = 12.
12 zeigt die Amplitude für Fehlzündung bei jedem Takt des dritten Zylinders, die unter Verwendung von (42) berechnet wird. Trotz der schlechten Qualität des Amplitudensignals ist die Fehlzündung immer noch über einen Amplitudenabfall erkennbar. Die Amplitude (die Differenz zwischen dem Maximal- und dem Minimalwert) der Motordrehzahlpulsation für den dritten Zylinder wird mit der durchgezogenen Linie als eine Funktion der Schrittzahl dargestellt. Jeder Schritt beträgt 30 KW. Das Kraftstoffsignal wird mit der Strich-Punkt-Linie dargestellt. Der Motor arbeitet bei 5000 U/min. Die Fehlzündung wird in jedem Takt erzeugt.
Das Auswählen der Größe des Moving-Window w spielt eine signifikante Rolle bei dem vorgeschlagenen Verfahren. Das Verringern der Fenstergröße macht die trigonometrische Interpolation für Hochfrequenzrauschen empfindlicher, wodurch Fehlzündung unter Verwendung von (42) klarer erkennbar wird. Die wertvollen Verbrennungsqualitätsinformationen für fehlzündungsfreie Zylinder sind jedoch in diesem Fall verrauscht. Das Vergrößern der Fenstergröße macht die Interpolation robuster. Jedoch verursacht das Fenster zu großer Größe Fehlinterpretation der Fehlzündungsinformationen, d. h. an Stelle des Fehlzündungsabfalls erscheint an dem gefilterten Signal der Verbrennungsimpuls. Die Fenstergröße w sollte so ausgewählt werden, dass sowohl Verbrennungen in den fehlzündungsfreien Zylindern als auch Fehlzündung an dem gefilterten Signal zu sehen sind. Eine Beschränkung für die korrekte Wahl der Fenstergröße ist Bedingung (8). Wenn Bedingung (8) verletzt wird, dann erfordert die Implementierung des trigonometrischen Interpolationsverfahrens Matrixinversion, was wiederum das Verfahren rechentechnisch teuer macht. Zum Beispiel macht die Fenstergröße w = 12 Verbrennungen bei fehlzündungsfreien Zylindern erkennbar (siehe 11), wodurch die Fehlzündung über den Abfall der entsprechenden Amplitude immer noch erkennbar ist (siehe 12). Die Fenstergröße w = 6 ergibt einen größeren Abfall bei der Amplitude auf Grund von Fehlzündung, die Verbrennungen bei fehlzündungsfreien Zylindern sind jedoch kaum erkennbar. Die Wahl der Fenstergröße zwischen 6 und 12 verletzt die Bedingung (8). Die Fenstergröße w = 12 ist gut geeignet für das Schätzen des Motordrehmoments (siehe 7).
Als Folge des Fehlzündungsereignisses erscheint eine Niederfrequenzkomponente in dem Motordrehzahlsignal. Diese Tatsache kann außerdem für die Fehlzündungsdiagnose verwendet werden. Das Verfahren könnte jedoch Fehldetektieren bei Motordrehzahlstößen verursachen, die ebenfalls eine Niederfrequenzkomponente in dem Motordrehzahlsignal beinhalten.
Die genäherte Motordrehzahl (37) kann beim Schätzen einer Motorwinkelbeschleunigung verwendet werden. Die Beschleunigung kann durch analytisches Bewerten einer Ableitung von (37) geschätzt werden.
Eine Modifizierung des Kacmarz-Algorithmus wird in dem folgenden Abschnitt für das Fehlzündungsdetektieren vorgeschlagen, wobei dies keinen Teil der Erfindung bildet.
Ein anderer interessanter Ansatz für das Filtern basiert auf dem Kacmarz-Algorithmus. Es wird angenommen, dass es eine Menge von Werten y_k gibt, die bei jedem Schritt k gemessen werden. Dieses Signal sollte mit dem folgenden trigonometrischen Polynom genähert werden:
wobei x_k in Bezug auf den Kurbelwinkel mit dem Schritt (1) aktualisiert wird. Die Gleichung (43) spielt eine Rolle eines Modells, das die gemessenen Daten y_k abzugleichen hat. Die Gleichung (43) kann auf die folgende Weise geschrieben werden: y k = φkθ (44),wobei θTk = [a0k, a1k, b1k, azk, b2k, a3k, b3k, ..., aik, bik] (45) φkθ = [1, cos(qi xk), sin(qiXk), cos(qixk), sin(q2xk), ... cos(qnxk), sin(qn]xk) (46),wobei q_i, i = 1, ..., n, die Frequenz bezeichnet.
Dann kann das Schätzproblem wie folgt angegeben werden: das Aktualisierungsgesetz θ_k so finden, dass die folgende Gleichheit bei jedem Schritt gilt: yk = φTk θk (47)
Das folgende Anpassungsgesetz ist zu berücksichtigen:
Durch Einsetzen von (48) in die rechte Seite von (47) ist leicht zu sehen, dass (47) wahr ist. Es ist zu beachten, dass φ T / kφ_k = n + 1, wobei n die Anzahl beteiligter Frequenzen ist und das Anpassungsgesetz eine einfache Form aufweist, nämlich
Da der Algorithmus (49) genaue Näherung bei jedem Schritt gewährleistet, könnten die unter Verwendung dieses Algorithmus gewonnenen Schätzungen verrauscht sein. Es ist oft notwendig, die Schätzungen durch Einführen der Regelverstärkungsmatrix zu glätten. Zum Beispiel kann unter Verwendung der Fehlerquadrat-Verstärkungsaktualisierungsmatrix Γ_k der Algorithmus (49) wie folgt modifiziert werden:
wobei Γ₀ = I, γI > 0, I die Einheitsmatrix ist und λ₀, k₀ die positiven Konstruktionsparameter sind. Zum Beispiel kann man γ = 100, λ₀ = 2,5, k₀ = 10 nehmen. Es ist anzumerken, dass das Verstärkungsaktualisierungsgesetz (51) das diskrete Zeitanalogon eines zeitkontinuierlichen Algorithmus ist, der von Bartolini, Ferrara\& Stotsky (1995) beschrieben wird.
Der Algorithmus (49) gewährleistet die genaue Näherung der gemessenen Daten bei jedem Schritt, jedoch nicht die Konvergenz der Parameter a_i, i = 0, ..., n, zu ihren wahren Werten. Für die Parameterkonvergenz wird die Bedingung der Erregungsfortdauer des Eingangssignals benötigt.
Algorithmus (49) kann mit den trigonometrischen Interpolationsalgorithmen kombiniert werden, die in dem vorhergehenden Abschnitt beschrieben wurden. Schätzungen, die mit Hilfe des trigonometrischen Interpolationsverfahrens gewonnen wurden, können direkt als ein Vorwärtskopplungsteil für den Algorithmus (49) verwendet werden. Die Einführung des Vorwärtskopplungsteils beschleunigt die Parameterkonvergenz für das Kacmarz-Verfahren.
Die oben vorgeschlagenen Algorithmen können bei Motordrehzahlstößen verwendet werden, wobei vorausgesetzt wird, dass ein langsam variierender Trend der Motordrehzahl korrekt kompensiert wird.
Im Folgenden wird die Anwendung des Kacmarz-Algorithmus zur Fehlzündungsdiagnose offengelegt, wobei dies keinen Teil der Erfindung bildet.
Das gefilterte Signal kann wie folgt geschrieben werden: ω ^k= ack + ack cos(qcxk) + bcksin(qcxk) (52)wobei q_c die Verbrennungsfrequenz ist und a_0k, a_ck, b_ck gemäß (49) aktualisiert werden.
13 zeigt die Eigenschaften der Algorithmen (52) und (49). Ein V8-Motor arbeitet im Leerlauf. Es ist leicht zu sehen, dass der Algorithmus eine genaue Näherung des gemessenen Signals bereitstellt (siehe durchgezogene Linie und Plus-Linie). Fehlzündung ist an dem gefilterten Signal leicht erkennbar.
13 zeigt Messungen mit dem Schritt 30 KW an dem V8-Motor. Es wird ein einzelner Motortakt dargestellt. Der Motor arbeitet im Leerlauf. Die Motordrehzahl beträgt 700 U/min und ihre Hochfrequenzkomponente wird mit der durchgezogenen Linie dargestellt. Die Näherung des gemessenen Signals durch den Kacmarz-Algorithmus mit vier beteiligten Frequenzen wird mit der Plus-Linie dargestellt. Der Ausgang des Filters (52) wird mit der Strich-Punkt-Linie dargestellt. Das Kurbelzählersignal wird mit gepunkteter Linie dargestellt.
Die Amplitude (die Differenz zwischen dem Maximal- und dem Minimalwert (42)) der Pulsation der Motordrehzahl für den dritten Zylinder (die vierte Verbrennung), die mit Hilfe des gefilterten Signals (52) berechnet wird, wird in 14 als die Funktion einer Schrittzahl (jeder Schritt beträgt 30 KW-Grad) dargestellt. Der Motor arbeitet im Leerlauf. Die Fehlzündung wird bei jedem Takt durch Unterbrechen einer Kraftstoffzufuhr in dem dritten Zylinder erzeugt. Es ist klar zu sehen, dass die Fehlzündung an dem gefilterten Signal erkennbar ist. Die Amplitude (die Differenz zwischen dem Maximal- und dem Minimalwert) der Motordrehzahlpulsation für den dritten Zylinder wird mit der durchgezogenen Linie als eine Funktion der Schrittzahl dargestellt. Jeder Schritt beträgt 30 KW. Das Kraftstoffsignal wird mit der Strich-Punkt-Linie dargestellt. Der Motor arbeitet im Leerlauf. Die Motordrehzahl beträgt 700 U/min. Die Fehlzündung wird in jedem Takt erzeugt.
15 zeigt Filterergebnisse bei der Motordrehzahl von 5000 U/min. Das gemessene Signal ist sehr verrauscht und es wird mit dem Filter (52) gefiltert. Es ist klar zu sehen, dass Verbrennungen und Fehlzündung an dem gefilterten Signal erkannt werden.
15 zeigt Messungen mit dem Schritt 30 KW an dem V8-Motor. Es wird ein einzelner Motortakt dargestellt. Die Motordrehzahl beträgt 5000 U/min und ihre Hochfrequenzkomponente wird mit der durchgezogenen Linie dargestellt. Die Näherung des gemessenen Signals durch den Kacmarz-Algorithmus mit vier beteiligten Frequenzen wird mit der Plus-Linie dargestellt. Der Ausgang des Filters (52) wird mit der Strich-Punkt-Linie dargestellt. Das Kurbelzählersignal wird mit gepunkteter Linie dargestellt.
Die Amplitude der Drehzahlschwankungen für den dritten Zylinder, der in jedem Takt fehlzündet, wird in 16 gezeigt. Die Amplitude (die Differenz zwischen dem Maximal- und dem Minimalwert) der Motordrehzahlpulsation für den dritten Zylinder wird mit der durchgezogenen Linie als eine Funktion der Schrittzahl dargestellt. Jeder Schritt beträgt 30 KW. Das Kraftstoffsignal wird mit der Strich-Punkt-Linie dargestellt. Der Motor arbeitet bei 5000 U/min. Die Fehlzündung wird in jedem Takt erzeugt.
Durch Vergleichen der 9 mit 13 und der 11 mit 15 ist leicht zu sehen, dass die Fehlzündungen mit der Kacmarz-Technik besser erkennbar sind. Das trigonometrische Interpolationsverfahren ist zum Überwachen des Motordrehmoments besser geeignet.
Neue rechentechnisch effiziente Algorithmen werden konstruiert und verifiziert, die Filterung bei der Motorzündfrequenz und bei hohen Motordrehzahlen, bei denen die Verbrennungsqualitätsinformationen stark rauschkontaminiert sind, bereitstellen. Es ist nachgewiesen, dass die Drehmomentschätz- und Fehlzündungsdetektiertechniken von der Verfügbarkeit der Verbrennungsqualitätsinformationen profitieren, die von den hierin oben vorgeschlagenen Algorithmen bereitgestellt werden.
17 zeigt in schematischer Form einen Verbrennungsmotor 1, der mit einer Bewertungsvorrichtung 11 versehen ist, die eine Einrichtung zum erfindungsgemäßen Bestimmen der Schwankung der Motordrehzahl bildet. Der Motor kann mit einer variablen Ventilsteuerung 2 ausgestattet sein. Die Erfindung kann außerdem an Motoren verwendet werden, die nicht mit einer variablen Ventilsteuerung 2 versehen sind.
Die Bewertungsvorrichtung 11 empfängt von dem Kurbelwellensensor 9 ein Signal, das der Winkelposition der Kurbelwelle 8 entspricht. Bei der vorliegenden Ausführung besteht dieses Signal aus einer Impulsfolge, wobei jeder Impuls einem spezifischen Abschnitt eines Winkels, der von der Kurbelwelle 8 überstrichen wird, entspricht. An einer bezeichneten Position der Kurbelwelle ist eine Markierung 13 angelegt, die einen speziellen Impuls erzeugt und daher das Bestimmen der absoluten Position der Kurbelwelle ermöglicht.
Die Bewertungsvorrichtung 11 enthält eine Einrichtung 12 zum Zuordnen eines trigonometrischen Polynoms, das die Motordrehzahl darstellt. Das trigonometrische Polynom wird als eine Menge trigonometrischer Funktionen ausgedrückt, wobei jede trigonometrische Funktion mit einem Modellkoeffizienten multipliziert wird. Die Einrichtung 12 zum Zuordnen eines trigonometrischen Polynoms enthält daher zwei Speicherbereiche, eine Anordnung 12a, die eine Menge trigonometrischer Basisfunktionen darstellt, und eine Matrix 12b, die zu bestimmende Modellkoeffizienten darstellt.
Die Bewertungsvorrichtung enthält des Weiteren eine Einrichtung 16 zum Abrufen einer Menge von Messdaten in einem Moving-Window der Größe w, wobei w die Anzahl von Messdaten ist, die in dem Fenster erhalten wird. Die Einrichtung 16 zum Abrufen von Messdaten empfängt Daten von dem Kurbelwellensensor. Die empfangenen Daten entsprechen der Kurbelwellenposition θ zu einer vorgegebenen Zeit t. Die Motordrehzahl kann unter Verwendung des ersten Differenzverfahrens lokal anhand der Kurbelwellenposition bestimmt werden.
Des Weiteren wird eine Einrichtung 14 zum Interpolieren des trigonometrischen Polynoms zu Messdaten in einem Moving-Window der Größe w durch Bestimmen der Modellkoeffizienten bereitgestellt. Die Messdaten werden in einem dritten Speicherfeld 15 gespeichert. Die Modellkoeffizienten können bestimmt werden aus Matrixinversionen der Gleichungen (5) bis (7) oder durch Verwendung der rekursiven Formeln (30) bis (32), wenn ein für die Verwendung rekursiver Berechnungen erforderlicher Anfangswert besteht. Ein Anfangswert kann durch Matrixinversion der Gleichungen (30) bis (32) oder durch Verwendung eines ersten eingestellten Schätzwertes der Modellkoeffizienten ermittelt werden. Die Modellkoeffizienten werden in der Matrix 12b zum späteren Zugriff für rekursive Berechnung von Modellkoeffizienten in späteren Schritten nach Bewegen des Fensters gespeichert. Der Modellkoeffizient kann bei einer anderen Ausführung der Erfindung durch Verwendung eines Anpassungsgesetzes gemäß Gleichung (49) oder (50) bestimmt werden.
Nachdem die Modellkoeffizienten für das Fenster bei einem Schritt k bestimmt wurden, wird das Fenster durch Eingeben neuer Messdaten und Verwerfen der ersten Messdaten in dem Fenster bewegt. Nach dem Bewegen des Fensters werden die Verfahrensschritte (b) bis (d) wiederholt. Bei der Ausführung der Erfindung werden die Modellkoeffizienten nach dem Bewegen des Fensters durch rekursive Verwendung von Modellkoeffizienten bestimmt, die in dem Schritt vor dem Bewegen des Fensters bestimmt wurden.
Alle unterschiedlichen Einrichtungen, die in der Bewertungsvorrichtung 11 enthalten sind, werden durch Programme gebildet, die in einer Mikrosteuerung, die Verarbeitungseinrichtungen und Speicherbereiche aufweist, ausgeführt werden. Die Mikrosteuerung ist so programmiert, dass sie die Berechnung der Formeln (5) bis (7) oder (30) bis (32) oder (49) oder (50) unter Verwendung von Informationen ausführt, die von dem Motordrehzahlsensor 9 bereitgestellt werden.
Bei einer Ausführung der Erfindung ist der Motor mit einer variablen Ventilsteuerung 2 ausgestattet. Die variable Ventilsteuerung 2 ist so eingerichtet, dass sie durch Auswählen des Nockenwellenprofils einer Nockenwelle 4 den Gasaustausch in eine Vielzahl von Zylindern 3 des Verbrennungsmotors 1 hinein oder aus dieser heraus steuert. Die Nockenwelle 4 weist eine erste Nocke mit einem ersten Nockenprofil und eine zweite Nocke mit einem zweiten Nockenprofil, das größer als das erste Nockenprofil ist, auf, wie im Folgenden ausführlicher beschrieben wird. Die variable Ventilsteuerung 2 enthält eine Betätigungsvorrichtung 5, die durch eine elektronische Steuereinheit 6 gesteuert wird. Die Betätigungsvorrichtung 5 manövriert die Nockenwelle, um einzustellen, welches Nockenprofil aktuell auf die Hubmechanismen 7 für die Gasaustauschventile 8 wirkt. Die variable Ventilsteuerung, die bei der gezeigten Ausführung an dem Einlassventil angeordnet ist, kann außerdem an dem Auslassventil angeordnet sein.
Die Erfindung kann außerdem auf die variable Ventilsteuerung 2 angewendet werden, die so eingerichtet ist, dass sie die Position einer Nockenwelle 4, die in Bezug auf die Winkelposition einer Kurbelwelle 8 variabel ist, mit Hilfe einer Einstellvorrichtung steuert. Die Einstellvorrichtung 5 zum Ändern des Nockenwellenmodus wird über eine Ventilsteuereinheit 10 gesteuert, die in der elektronischen Steuereinheit 6 angeordnet ist. Die Steuerung wird auf eine einer Fachperson bekannten Weise so durchgeführt, dass Umschalten des Nockenwellenmodus in Abhängigkeit von dem Motorbetriebszustand bereitgestellt wird.
In 18 wird eine Ventilbaugruppe gezeigt, die in Verbindung mit der Erfindung verwendet werden kann, um zwei unterschiedliche Nockenmodi bereitzustellen.
Mit Bezugnahme auf 18 wird dort ein Ventil 110 gezeigt, das einen Kopf 111 aufweist, der in eine axiale Richtung bewegt werden kann, um den Durchgang 105 dicht zu verschließen. Das Ventil 110 ist in einer Bohrung 112 in dem Zylinderblock 113 gleitfähig angebracht und durchläuft einen Hohlraum 114. In dem Hohlraum 114 um das Ventil 110 herum befindet sich eine Feder 115, von der ein Ende gegen eine untere Fläche des Hohlraumes 114 lagert und von der sich das andere Ende in einem an dem Ventil 110 angebrachten Bund 116 befindet, um das Ventil 110 im Allgemeinen in eine Aufwärtsrichtung vorzuspannen.
An dem oberen Ende des Ventils 110 ist eine Stößelbaugruppe 118 angebracht. Die Stößelbaugruppe 118 umfasst einen koaxialen Innenstößel 120 und einen Außenstößel 121. Der Innenstößel liegt an einem hydraulischen Ventilspieleinstellelement 122 bekannten Typs an, das wiederum an dem oberen Ende des Ventils 110 anliegt. Die Stößelbaugruppe 118 ist gleitfähig in der Bohrung 119 angebracht, die sich von dem Hohlraum 114 zu der oberen Fläche des Zylinderblockes 113 erstreckt. Eine Zylinderkopfabdeckung kann über der oberen Fläche des Zylinderblockes 113 positioniert und an dieser befestigt sein.
Über dem Zylinderblock 113 befindet sich eine drehbare Nockenwelle 130, die in der üblichen Anordnung 131 betrieben werden kann und die ein Paar äußerer Nockenerhebungen 126 umfasst, zwischen denen eine mittige Nockenerhebung 123 angeordnet ist. Die mittige Nockenerhebung 123 weist ein Profil auf, das so konstruiert ist, dass die Mo torleistung über einen ausgewählten Abschnitt der Motordrehzahl und des Lastbereiches optimiert wird. Auch wenn die mittige Nockenerhebung 123 so dargestellt wird, dass sie eine im Allgemeinen exzentrische Form aufweist, wird in Betracht gezogen, dass diese Nockenerhebung eine kreisförmige Form sein kann, die Ventildeaktivierung während der Steuerung durch diese Nockenerhebung ermöglicht. Die äußeren Nockenerhebungen 126 sind von einem im Wesentlichen miteinander identischen Profil und sind so konstruiert, dass sie die Motorleistung über einen anderen Abschnitt der Motordrehzahl und des Lastbereiches optimieren.
Die Nockenwelle 130 ist so angeordnet, dass bei Bedingungen niedriger Geschwindigkeit eine obere Fläche 120a des Innenstößels 120 durch die mittige Nockenerhebung 124 über einen Schlepphebel 124 angetrieben wird. Die obere Fläche 121a des Außenstößels 121 wird mit Hilfe einer Feder 125, die koaxial um die Feder 115 herum positioniert ist und die sich an einem Ende in Aussparungen 132 in der unteren Endfläche des Außenstößels 121 befindet, mit den äußeren Nockenerhebungen 126 in Kontakt gehalten. An ihrem unteren Ende liegt die Feder 125 an der unteren Fläche des Hohlraumes 114 an.
Das Nockenprofilauswählen wird erreicht, indem entweder der Innenstößel 120 und der Außenstößel 121 so verbunden werden, dass sie sich zusammen bewegen, wobei dies dem Außenstößel 121 und den äußeren Nockenerhebungen 126 das Steuern des Ventils 110 ermöglicht, oder indem der Innenstößel 120 und der Außenstößel 121 getrennt werden, wobei dies dem Innenstößel 120 und der inneren Nockenerhebung 123 das Steuern des Ventils 110 ermöglicht.
Die Erfindung ist nicht auf die hierin oben beschriebenen Ausführungen beschränkt und wird lediglich durch den Umfang der angehängten Ansprüche beschränkt. Die Erfindung betrifft im Besonderen ein Verfahren zum Bestimmen der Motordrehzahlschwankung auf Basis von Interpolation eines trigonometrischen Polynoms unter Verwendung einer rekursiven Formel.

Claims

Verfahren zum Bestimmen der Motordrehzahlschwankung, wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte umfasst: (a) Zuordnen eines trigonometrischen Polynoms, das die Motordrehzahl darstellt, wobei das trigonometrische Polynom als eine Menge trigonometrischer Funktionen, jede trigonometrische Funktion mit einem Modellkoeffizienten multipliziert, ausgedrückt wird, (b) Abrufen einer Menge von Messdaten in einem Moving-Window der Größe w, wobei w die Anzahl von Messdaten ist, die in dem Fenster erhalten wird, (c) Interpolieren des trigonometrischen Polynoms zu einem Moving-Window der Größe w durch Bestimmen der Modellkoeffizienten, (d) Bewegen des Fensters durch Eingeben neuer Messdaten und Verwerfen der ersten Messdaten in dem Fenster und Wiederholen der Schritte (b) bis (d), und dadurch gekennzeichnet ist, dass die Modellkoeffizienten, nach dem Bewegen des Fensters, durch rekursive Verwendung von Modellkoeffizienten bestimmt werden, die in einem Schritt vor dem Bewegen des Fensters bestimmt wurden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das bestehende trigonometrische Polynom eine Menge trigonometrischer Funktionen steigender Ordnung des Diskretisierungsschrittes und eines festen Wertes ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das trigonometrische Polynom wie folgt ausgedrückt wird:
wobei n ≥ 1 die Anzahl verschiedener Ordnungen von trigonometrischen Funktionen ist, die in dem trigonometrischen Polynom verwendet werden, c die Basisfrequenz ist, Δ der Diskretisierungsschritt ist und a_0k, a_qk und b_qk die Modellkoeffizienten für q = 1 ... n sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisfrequenz als die Verbrennungsfrequenz gewählt wird, d. h., c = N_TT/360, wobei N die Anzahl von Motorzylindern ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Modellkoeffizienten eine Funktion von Messdaten, die in das Fenster einfliessen, Messdaten, die das Fenster verlassen, und den in dem Schritt vor dem Bewegen des Fensters bestimmten Modellkoeffizienten sind.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Modellkoeffizienten wie folgt aktualisiert werden:
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass nur die trigonometrische Funktion erster Ordnung ausgewählt wird, d. h., dass der Parameter q eingerichtet wird, um gleich 1 zu sein.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter q festgelegt ist, um die Verbrennungsfrequenz, niedrige Antriebsfrequenzen und hohe Kurbelwellentorsionsfrequenzen zu enthalten.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Veränderung des Nockenprofils durch Detektieren einer Änderung in dem Verbrennungszustand, die als eine Änderung der Motordrehzahl auftritt, detektiert wird, wobei sich die Änderung der Motordrehzahl in dem Modellkoeffizienten des trigonometrischen Polynoms zeigt.
Detektieren von Fehlzündung unter Verwendung der folgenden Schritte: – Bestimmen der Motordrehzahl unter Verwendung eines Verfahrens, wie in einem der Ansprüche 1 bis 8 offenbart, – Bestimmen einer Amplitude Ai, die ein Maß des Nettomotordrehmoments von einem Zylinder als die Differenz zwischen dem Maximal- und dem Minimalwert der bestimmten Motordrehzahl ist, und Detektieren von Fehlzündung durch Bemerken eines Abfalls der Amplitude.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Nettomotordrehmoment bei einem Kurbelwinkelintervall (θ_s θ_f) unter Verwendung des trigonometrischen Polynoms, das die Motordrehzahl darstellt, geschätzt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude Ai definiert ist als:
wobei T_e das durch alle Zylinder in dem Intervall erzeugte Drehmoment ist und T_I das Motorlastdrehmoment ist.