JPH10510056A - 回転速度変動の評価による燃焼ミスファイヤの検出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 内燃機関のクランク軸と結合された伝送車の回転運動の時間特性に基づく内燃機関のミスファイヤの検出方法であって、伝送車の所定のセグメントがセンサを通過するセグメント時間が測定され、かつこれらが処理されて内燃機関の回転不規則性に対する尺度が形成され、この尺度の特性からミスファイヤが特定され、この場合、回転不規則性に対する尺度が、特定のフィルタ係数を用いてセグメント時間をディジタル・フィルタリングすることにより形成される、内燃機関のミスファイヤの検出方法が開示されている。

Description

【発明の詳細な説明】 回転速度変動の評価による燃焼ミスファイヤの検出方法 従来の技術 本発明は、内燃機関における燃焼ミスファイヤ（不点火）の検出方法に関する ものである。 燃焼ミスファイヤは内燃機関の運転中に放出される有害物質を増大させ、さら にエンジンの排気路内の触媒を損傷させることがある。排気関係機能のオンボー ド・モニタリングに関する法令上の要求を満たすために、全回転速度範囲および 全負荷範囲にわたりミスファイヤを検出することが必要である。これに関して、 燃焼ミスファイヤがある運転においては、ミスファイヤのない正常運転に対して 内燃機関の回転速度特性に特徴的な変化が現れることがわかっている。この回転 速度特性を比較することにより、ミスファイヤのない正常運転とミスファイヤが ある運転とを区別することが可能である。 これに基づいて作動する方法が、ドイツ特許公開第４１３８７６５号から既知 である。 この既知の方法によれば、各シリンダに、セグメントと呼ばれるクランク軸の 角度範囲が付属されている。セグメントは、たとえば、クランク軸と結合されて いる伝送車上のマーキングにより形成される。クランク軸がこの角度範囲を通過 するセグメント時間は、とくに燃焼サイクルにおいて変換されるエネルギーの関 数である。ミスファイヤは、点火に同期して測定されるセグメント時間を上昇さ せる。既知の方法によれば、セグメント時間の差からエンジンの回転不規則性の 尺度が計算され、ここでさらにゆっくり現れる動的過程、たとえば車両の加速時 におけるエンジン回転速度の上昇が計算により補償される。このように点火ごと に計算された回転不規則値が、同様に点火に同期して所定のしきい値と比較され る。場合により負荷および回転速度のような運転パラメータの関数でもあるこの しきい値を超えたとき、それがミスファイヤとして評価される。 この方法によりミスファイヤが検出可能である確実性は、クランク軸の回転速 度に対する個々のミスファイヤの影響が少なければ少ないほどそれだけ低下する ことは当然である。したがって、ミスファイヤの検出の信頼性は、内燃機関のシ リンダの数の増大と共に、および回転速度の増大ならびに負荷の減少と共に低下 してくる。 発明の概要 この背景から、シリンダ数が多く、また回転速度が高くかつ負荷が小さいとき の内燃機関におけるミスファイヤの検出の確実性をさらに改善することが本発明 の課題である。 この課題は、請求の範囲の請求項１の特徴の組合せにより解決される。本発明 の有利な実施形態が、請求の範囲における従属請求項に記載されている。 本発明は、ミスファイヤの結果によるセグメント時間の上昇が、高い回転速度 においては、１つのセグメント時間だけに与えられるのではなく、複数のセグメ ント時間に分配されるという知見に基づいている。 本発明の基本要素は、より大きなクランク軸角度を含む評価を行うことにある 。これは、たとえば、ミスファイヤが発生した場合にその前後の他のセグメント 時間を算入することにより行われる。他のセグメント時間を算入しながら回転不 規則値を計算するために、種々の計算規則が有利に使用できることがわかってい る。これらの計算規則は、信号処理段および特徴抽出段においてディジタル・フ ィルタおよび所定のフィルタ係数を用いて、離散たたみこみにより示すことがで きる点が共通している。 動的補正がない場合、これらの種々の規則は次の形式で示すことができる。 ここで、ｂ（ｎ）はフィルタ係数、Ｍａ及びＭｅはそれぞれのフィルタの始まり および終わり、Ｍ＝Ｍａ−Ｍｅ＋１はフィルタの長さ、および＊はたたみこみ演 算子である。 比例係数としてのｔｓ（ｎ）³の逆数との乗算は、回転速度の依存性を排除す るように働く。 セグメント時間の代わりに、セグメントに付属の速度ωを使用してもよい。 q(n)〜b(n)^*ω(n)またはω(n)(b(n)^*ω(n)) ここで ミスファイヤの検出方法が動的補償方法で補足できることが本発明の本質的な 特徴である。この目的は、ミスファイヤに類似の回転速度変化を排除することに ある。 以下に本発明の実施形態を図面により詳細に説明する。 図面の説明 詳細には、図１は本発明の技術的周辺を示す。図２は本発明による方法を実行 するのに適したコンピュータを示す。図３は、回転速度の測定に基づき、回転の 不規則性の尺度の基準としてのセグメント時間を形成する既知の原理を示す。図 ４は、本発明の実施形態としての、制限パルス応答を有するディジタル・フィル タの機能ブロックを示し、図５は本発明の作用を信号の時間線図で示している。 発明の詳細な説明 図１は内燃機関１を示し、内燃機関１は、マーキング３を有する角度伝送車２ 、角度センサ４、信号処理および特徴抽出を行うブロック５、ならびにしきい値 比較、神経回路、不確定分類または他の既知の手段および／または方法に基づく 特徴信号の評価により燃焼ミスファイヤの検出を行うブロック６を備えている。 場合により、ブロック５および６に、負荷および回転速度のような内燃機関の運 転パラメータが供給される。燃焼ミスファイヤが特定された場合、たとえば参照 番号７で示される警報ランプが点灯されてもよい。 本発明の本質は、ブロック５、すなわち信号処理および特徴抽出、ないし図１ における信号ｑ（ｎ）の形成にある。機能ブロック５および６はコンピュータ８ のプログラミングにより形成されることが好ましく、コンピュータ８の基本機能 は図２に示されている。これによると、計算ユニット２．１は入力ブロック２． ２と出力ブロック２．３とを接続しかつメモリ２．４内に記憶されているプログ ラムおよびデータを利用する。 内燃機関のクランク軸と結合されている角度伝送車の回転運動は、誘導センサ として形成されている角度センサ４により電気信号に変換され、その電気信号の 周期性は、マーキング３が角度センサ４を周期的に通過する状況を示している。 したがって、信号レベルの立上りと立下りとの間の時間間隔は、クランク軸がマ ーキングの目盛に対応する角度範囲だけ回転された時間に対応している。 この時間間隔は、コンピュータとして形成されている制御装置８において処理 されて、内燃機関の回転不規則性に対する尺度ｑ（ｎ）にさらに変換される。 図３ａは角度伝送車の４セグメントへの分割を示し、ここで各セグメントは所 定数のマーキングを有している。マーキングＯＴｋは、この実施例における８シ リンダ内燃機関のｋ番目のシリンダのピストン運動の上死点に割り当てられ、こ の上死点はこのシリンダの燃焼サイクル内に存在している。この点の周りに回転 角度範囲φ_kが定義され、回転角度範囲φ_kはこの実施例においては角度伝送車の 同様に、残りのシリンダの燃焼サイクルに角度範囲φ₁ないしφ₈が割り当てられ 、ここでは１つの完全作業サイクルに対しクランク軸が２回転する４サイクル原 理から出発している。したがってたとえば、第１のシリンダの範囲φ₁は第５の シリンダの範囲φ₅に対応している等である。クランク軸の１回転に付属する角 度範囲は、相互に分離されていても、相互に接続されていてもまたは相互に重ね 合わされていてもよい。第１のケースにおいては、いかなる角度範囲にも付属さ れないマーキングが存在し、第２のケースにおいては、各マーキングは正確に１ つの角度範囲に付属し、第３のケースにおいては、種々の角度範囲に同じマーキ ングが付属されている。したがって、角度範囲の任意の長さおよび位置が可能で ある。 図３ｂに、クランク軸の回転運動により角度範囲が通過される時間ｔｓが目盛 られている。この場合、シリンダｋにおいてミスファイヤが想定される。ミスフ ァイヤが発生するとトルクが出力されないので、それに付属の時間間隔ｔｓは上 昇することになる。したがって、時間間隔ｔｓは回転不規則性に対する尺度を示 しており、この原理はミスファイヤの検出のために適している。時間間隔ｔｓの 適 切な処理により、とくに隣接する時間間隔の差 ｔｓ（ｎ＋１）−ｔｓ（ｎ） を形成し、かつこの差をインデックスｉを有する点火サイクルにおける時間間隔 ｔｓ（ｉ）の３乗で正規化することにより、回転不規則値は加速度の次元を含み 、経験的に示されるように、回転不規則値のＳ／Ｎ比が改善されることを示す。 図３ｃは回転速度変化の時間間隔ｔｓの測定に対する影響を示している。典型 例として、自動車の惰行運転において発生するような回転速度低減の例が示され ている。測定時間ｔｓが比較的均等に伸長することを示すこの影響を補償するた めに、たとえば動的補償のための加算補正項Ｄを形成すること、および回転不規 則値を計算するとき上記伸長効果が補償されるように補正項Ｄを考慮することが 既知である。 以下に記載の例はすべて１２シリンダ・エンジンに関するものであるが、他の シリンダ数を有する内燃機関にも変換可能である。１２シリンダ・エンジンに対 する既知の特徴値は、回転速度の依存性をさらに排除する下で、ｔｓ（ｎ）³を 用いた除算および動的補償により次式のように計算される。 本発明の実施形態が図４に示すディジタル・フィルタにより形成される。 図４の上列に１２個のメモリセルが示され、このメモリセル内に時間に対し離 散的に順次に発生するセグメント時間ｔｓの値が書き込まれる。セグメント時間 ｔｓが左側から入力される度に、右側のメモリセルの内容はその左側に隣接する メモリセルの内容により書き換えられる。メモリセルの内容が時間に対し離散的 に更新された後、各メモリセル１ないし１２の内容は図４の中間列においてフィ ルタ係数ｂ１ないしｂ１２と乗算により結合され、この場合、インデックスｉを 有するフィルタ係数がインデックスｉを有するメモリセルにそれぞれ割り当てら れている。この結合結果が下列において加算されて回転不規則特徴値ｑ（ｎ）が 形成される。言い換えると、各セグメント時間はこの配置により左側から右側へ 移し変えられかつ時間に対し離散的に種々のフィルタ係数である程度重み付けさ れる。図示のフィルタリングは制限されたパルス応答を有するディジタル・フィ ルタに対応する。 メモリセルの数としての数値１２には１２シリンダ・エンジンおよびカム軸の １回転に関するフィルタリングという仮定が基礎になっている。カム軸の約２回 転までの領域に関するフィルタリングもまた有意義であるように思われる。 ミスファイヤに典型的なセグメント時間信号における上昇とカム軸の完全な１ 回転に関する正弦関数との相関をとった場合のこのディジタル・フィルタの結果 が図５に示されている。 この場合、回転不規則特徴信号の値ｑは次式により与えられる。 但し、フィルタ係数はｂ＝ｓｉｎ（２πｍ／１２）により、そして Ｍａ≦ｍ≦Ｍｅ，Ｍａ＝−５，Ｍｅ＝６である。 ここで、図５ａはフィルタリングされていないセグメント時間ｔｓの時間線図 を示し、図５ｂはフィルタ係数を示し、および図５ｃは時間および値に関して離 散的な、セグメント時間とフィルタ係数との結合結果としての回転不規則特徴値 ｑ（ｎ）の時間線図を示している。フィルタリングされていないセグメント時間 と比較してｑ（ｎ）の値のＳ／Ｎ比が改善されていることがわかる。 他の可能性は、ミスファイヤにおいて典型的なセグメント時間信号における上 昇と次のステップ関数との相関関係にある。 但し、ｂ＝（1 1 1 1 1 1 -1 -1 -1 -1 -1- 1）， Ｍａ＝−５，Ｍｅ＝６である。 セグメント時間曲がりと呼ばれる形成規則は、セグメント時間の、離れて存在 する２つのセグメント時間点により形成される直線からの偏差を決定する。 但し、ｂ＝（-33／12 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0（33／12-6））， Ｍａ＝−７，Ｍｅ＝５である。 他の実施形態は２つの異なる急速フィルタの出力間の差の形成により行われる 。１つの例はクランク軸角度３６０°と７２０°とについてのフィルタリングの 間の差である。 但し、ｂ＝1／12（ -1 -1 -1 1 1 1 1 1 1 -1 -1 -1）， Ｍａ＝−６，Ｍｅ＝５である。 種々の急速フィルタの差の場合、緩速フィルタは動的補償を行う。既に示した 式のほかに、次式もまた可能である。 但し、ｂ＝1／12（1 1 1 1 1 1 -1 -1 -1 -1 -1 -1）， Ｍａ＝０，Ｍｅ＝１１である。 他の代替形態として、複素指数関数が対象となる。結果は複素数である。大き さのほかに存在する位相情報がシリンダ識別を容易にする。 但し、ｂ＝ｅｘｐ（ｊ２πｍ／１２）， Ｍａ＝−６，Ｍｅ＝５である。 他の実施形態は、前の平均セグメント時間からの上昇を評価する。平均はクラ ンク軸の１回転に関して行ってもよい。このときｑ₂（ｎ）が得られる。カム軸 の１回転に関して平均する場合、次式が得られる。 但し、ｂ＝（1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1）， Ｍａ＝−１２，Ｍｅ＝１１である。 さらに、この特徴の特定を、セグメント時間の低下高さにより補足してもよい 。この場合、クランク軸の１回転の間の上昇および低下が平均セグメント時間に 対し考慮され得る。 但し、ｂ＝（-1 -1 -1 -1 -1 -1 2 2 2 2 2 2 -1 -1 -1 -1 -1 -1）， Ｍａ＝−９，Ｍｅ＝８である。 代替形態として、カム軸の１回転の間の上昇および低下が考慮されてもよい。 但し、ｂ＝（-1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1）， Ｍａ＝−１７，Ｍｅ＝１８である。 他の実施形態においては、次式により、より大きなカム軸角度範囲を含む評価 が成功裏に行われている。 但し、ｂ＝（-5／3 0 0 1 1 1 1 0 -1 -1 -1 -1 5／3）， Ｍａ＝−７，Ｍｅ＝５である。 他の平滑化は次式により得られる。 本発明の他の実施形態において、上記の特徴信号ｑ₁、ｑ₂、ｑ₅、ｑ₆、ｑ₇お よびｑ₈は動的補償のための手段により補足されてもよい。この目的は、たとえ ば車両を加速する場合における走行運転のエンジンの平均回転速度の低下又は上 昇により引き起こされる回転速度変化の影響を補償することにある（図３ｃ）。 回転不規則特徴値ｑ_4aおよびｑ_4bの場合、緩速フィルタが動的補償を行う。セ グメント時間曲がりｑ₃はｑ₉およびｑ₁₀と同様に既に動的補償を含んでいる。 動的補償方法は粗分割の基礎となっている。第１の方法は、セグメント時間信 号またはフィルタリングされたセグメント時間信号におけるあらかじめ行われた 差の形成により発生する信号に使用される。 加速の結果としてのセグメント時間の直線的上昇から出発した場合、次式 により回転速度の傾向排除のための信号が導かれ、この信号は変形されてｑ₉（ ｎ）に使用される。 第２の方法は、セグメント時間信号またはフィルタリングされたセグメント時 間信号に直接使用される。原理的には、動的補償のために、低域通過の形成によ りセグメント時間信号から出力されたすべての信号が適している。１つの例が１ ２のセグメント時間値に関する平均値の形成にある。 さらに、動的補償のために、セグメント時間信号に対しメディアン（Ｍｅｄｉ ａｎ）（中央値）・フィルタを使用する可能性が存在する。 動的補償のための信号の計算は、固有のディジタル・フィルタにより行っても よい。上記の例に対して、次のフィルタ係数が与えられる。 傾向排除 ｄｋ₁（ｎ）：ｂ ＝1／12（1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -1）， Ｍａ＝−７，Ｍｅ＝５ 低域通過フィルタリング ｄｋ₂（ｎ）：ｂ ＝1／12（1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1）， Ｍａ＝−６，Ｍｅ＝５ メディアン・フィルタは非線形アルゴリズムを必要とする。 ミスファイヤ検出方法は、フィルタ機能における動的補償方法と組み合わせて もよい。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ハフナー，ズィグリート ドイツ連邦共和国 70193 シュトゥット ガルト，ローゼンベルクシュトラーセ 144 (72)発明者 フェルスター，ユールゲン ドイツ連邦共和国 09123 ヒェムニッツ, フラオ−フィルテル−シュトラーセ 90 (72)発明者 ヴィンマー，ヴォルフガング ドイツ連邦共和国 74235 エアレンバハ, ファイルヒェンヴェーク ８ (72)発明者 ローマン，アンドレア ドイツ連邦共和国 70195 シュトゥット ガルト，ヒンメルライヒシュトラーセ 37

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 内燃機関のクランク軸と結合された伝送車の回転運動の時間特性に基づく 内燃機関のミスファイヤの検出方法であって、前記伝送車の所定のセグメントが センサを通過するセグメント時間が測定されるかまたは前記伝送車のセグメント に付属される平均回転速度が測定され、かつこれらが処理されて内燃機関の回転 不規則性に対する尺度が形成され、この尺度の特性からミスファイヤが特定され る、内燃機関のミスファイヤの検出方法において、 回転不規則性に対する尺度が、特定のフィルタ係数を用いてセグメント時間を ディジタル・フィルタリングすることにより形成されることを特徴とする内燃機 関のミスファイヤの検出方法。 ２． フィルタリングがカム軸の４回転までの角度範囲を測定することを特徴と する請求項１記載の方法。 ３． フィルタリングが制限パルス応答を有するフィルタにより行われることを 特徴とする請求項２記載の方法。 ４． フィルタリングが次の規則に対応して行われることを特徴とする請求項３ 記載の方法。 ここで、ｂ（ｎ）はフィルタ係数、Ｍａ，Ｍｅはそれぞれフィルタの始まりお よび終わり、Ｍ＝Ｍａ−Ｍｅ＋１はフィルタ長さ、および＊はたたみこみ演算子 である。 ５． フィルタリングが次の規則に対応して行われることを特徴とする請求項３ 記載の方法。 q(n)〜b(n)^*ω(n)またはω(n)(b(n)^*ω(n)) ここで であり、そしてｂ（ｎ）はフィルタ係数、Ｍａ，Ｍｅはそれぞれフィルタの始ま りおよび終わり、Ｍ＝Ｍａ−Ｍｅ＋１はフィルタ長さ、および＊はたたみこみ演 算子である。 ６． 請求項１ないし５において上記のように計算された値が動的補償と組み合 わされることを特徴とする請求項１記載の方法。 ７． フィルタ係数として複素指数関数または実正弦関数の関数値を特徴とする 請求項４または５記載の方法。 ８． フィルタ係数としてステップ関数の関数値を特徴とする請求項４または５ 記載の方法。 ９． セグメント時間の、離れて存在する２つのセグメント時間点により形成さ れる直線からの偏差に対する尺度であるフィルタ係数を特徴とする請求項４また は５記載の方法。 １０． ２つの異なる急速フィルタの出力間の差の形成を示すフィルタ係数を特 徴とする請求項４または５記載の方法。