WO2005075804A1 - Verfahren zur detektion des brennbeginns einer brennkraftmaschine - Google Patents

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WO2005075804A1
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segment
internal combustion
frequency
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Reinhold Hagel
Mehmet Tuna
Ernst Meyer
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Conti Temic Microelectronic Gmbh
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    • F02D2200/02—Input parameters for engine control the parameters being related to the engine
    • F02D2200/10—Parameters related to the engine output, e.g. engine torque or engine speed
    • F02D2200/1012—Engine speed gradient

Definitions

  • the invention relates to a method for detecting the start of combustion of an internal combustion engine with a plurality of cylinders by means of a speed signal determined for a shaft of the internal combustion engine.
  • the combustion in the respective cylinders may not take place at the best possible time.
  • This undesirable deviation is caused by aging effects or by manufacturing tolerances. It can result in an increase in exhaust gas emissions, an increase in fuel consumption or a deterioration in the concentricity of the internal combustion engine.
  • the object of the invention is to provide a method of the type described at the outset which allows the start of the burning to be recorded with the simplest possible means. This object is achieved by the features of claim 1.
  • the method according to the invention regularly manages without additional sensors. As a measured variable, it is based only on the speed signal, which is generally determined anyway and is therefore already present in a control unit of the internal combustion engine. In addition, the exact start of burning can be easily determined using the cylinder signal transformed into the angular frequency range. There are no complex arithmetic operations involved. For the transformation into the angular frequency range, signal transformation methods that are already present in the control unit can be used if necessary.
  • claims 2 and 3 each relate to an advantageous method for generating the cylinder signal, which comprises the information to be evaluated of the cylinder of interest.
  • the operating behavior of the internal combustion engine can be improved by using the determined exact start of combustion for the (readjustment) control of the relevant cylinder becomes.
  • the shortcomings described at the beginning can then be largely avoided.
  • Fig. 1 shows a first embodiment of the method for the start of burning detection
  • Fig. 2 shows a second embodiment.
  • the first exemplary embodiment shown in FIG. 1 serves to detect the start of combustion of an internal combustion engine 1, in particular a self-igniting engine, which has four cylinders 2, 3, 4 and 5.
  • the number of cylinders is only to be understood as an example.
  • the method can also be applied to an internal combustion engine 1 with a different number of cylinders.
  • a sensor wheel 7 On a shaft 6, in particular the crankshaft, of the internal combustion engine 1, a sensor wheel 7 is attached, which has equidistant markings distributed over the circumference. These markings, which are not shown in detail in the exemplary embodiment, can be embodied, for example, in the form of teeth or holes.
  • This signal is fed to a control unit 9.
  • the control unit 9 comprises a plurality of subunits, which are also intended for determining the start of combustion. These are a speed unit 10, an averaging unit 11, a sensor wheel correction unit 12, a signal reconstruction unit 13, a segmentation unit 14, an analysis unit 15 and a controller 16.
  • These subunits can be physically separated, for example as separate electronic assemblies or into a single physical unit preheat together. The latter is possible in particular in the case of a technical implementation of the subunits 10 to 16 on a signal processor.
  • a mixed form is also conceivable.
  • the mode of operation of the start of burn detection and readjustment is described in more detail below.
  • the time range signal supplied by the sensor 8 is converted in the speed unit 10 into a speed signal which, as is customary in the control of internal combustion engines, relates to the angle of rotation range.
  • the speed signal indicates the currently existing shaft speed or shaft rotation acceleration.
  • a segment signal SS with a rotation angle range is then extracted from the speed signal, within which each of the cylinders 2 to 5 ignites exactly once.
  • this is a segment corresponding to a double full rotation of the shaft 6, that is to say with a 720 degree rotation angle range.
  • the speed range of the segment signal SS can in principle also have a different size.
  • the speed signal and also the segment signal are currently detected in practically every control unit 9 of an internal combustion engine 1. It is therefore not a matter of detection means provided separately for the start of combustion detection.
  • the method steps that are carried out in the averaging unit 11, in the transmitter wheel correction unit 12 and in the signal reconstruction unit 13 are optional. They serve to improve the signal quality of the segment signal SS. The higher its quality, the more precisely the start of burning can ultimately be determined.
  • the arithmetic mean of two or more successive segment signals SS is formed in the averaging unit 11. In this way, in particular cyclical fluctuations, which result, for example, from uneven combustion, can be eliminated.
  • the markings on the encoder wheel 7 are usually at angular intervals of 6 degrees or 10 degrees. As a result, however, the speed of the shaft 6 is sampled too imprecisely for some applications. Current applications, such as smooth running control or burn start control, work better when there is a higher sampling rate.
  • the use of an encoder wheel 7 with a larger number of markings is not unproblematic, since with an increasing number of markings the clear space between the individual markings decreases and the risk of contamination increases. One possible consequence would be to overlook individual markings.
  • the sampling rate can still be increased by means of certain methods of digital signal processing.
  • a first possibility is an interpolation in the angle of rotation range between the sampling values determined by the sampling rate of the encoder wheel 7.
  • Lagrangian interpolation or sinc interpolation are also particularly suitable.
  • the Lagrangian interpolation which is particularly advantageous in this regard, is a special polynomial interpolation method. Compared to other higher order interpolation polynomials that can also be used in principle, Lagrangian interpolation offers the advantage of not having to solve a relatively complex system of equations.
  • the sinc interpolation is based on a mathematical folding operation.
  • Both the Lagrangian interpolation and the sinc interpolation provide an exact signal reconstruction for a periodic and band-limited signal, in the exemplary embodiment the segment signal SS, taking into account the sampling theorem, as a result of which they advantageously differ from a linear and also other, higher-level polynomial interpolation.
  • a second possibility for increasing the sampling rate is a frequency transformation of the segment signal into the angular frequency range. This transformation takes place in particular by means of a discrete Fourier
  • DFT discrete Hartley Transformation
  • DHT discrete Hartley transformation
  • Both transformations each provide an amplitude and a phase value at discrete angular frequencies, which are also referred to as orders in the field of internal combustion engines.
  • the individual harmonic partial vibrations are weighted with the associated amplitude and phase value.
  • Both the interpolation and the frequency transformation method deliver a reconstructed signal that is available in the form of an analytical function expression. This can then be placed anywhere in the angle range, that is to say in particular also between the measuring points determined by measurement, the required functional value can be taken. This results in the desired higher sampling rate.
  • a modified segment signal with an arbitrarily higher sampling rate for example with a 0.1 degree sampling, can be generated from a segment signal SS with an original sampling rate of 10 degrees.
  • segment signal SS contains the information about the start of combustion in the cylinders 2 to 5.
  • the improved segment signal SS is broken down in the segmentation unit 14 into a total of four cylinder signals ZS1, ZS2, ZS3 and ZS4. Each cylinder signal ZS 1 to ZS4 then only contains information about the ignition in a single cylinder.
  • the cylinder signals ZS1 to ZS4 can detect an angular range of up to 180 degrees.
  • it is expedient to extract cylinder signals ZS1 to ZS4 from the improved segment signal SS which only comprise an angular range within which the actual ignition process actually takes place in the respective cylinder 2 to 5, in particular the area around the top dead center of the cylinder. For example, a rotation angle range of approximately 40 to 50 degrees is sufficient for this.
  • the cylinder signals ZS1 to ZS4 determined in this way are fed to the analysis unit 15, which carries out a frequency transformation into the angular frequency range for each cylinder signal ZS1 to ZS4.
  • This can in turn be done by means of a DFT, a DHT or digital filtering, for example in the form of digital bandpass filtering with a variable center frequency or in the form of digital filter banks.
  • This conversion into the angular frequency range generates respective cylinder frequency signals FS1, FS2, FS3 and FS4 from the cylinder signals ZS1, ZS2, ZS3 and ZS4. Amplitude and phase values with associated discrete angular frequencies are then again available for the latter.
  • This signal information contains the information contained in the underlying respective cylinder signal ZS1 to ZS4 about the operating state in the respective cylinder 2 to 5.
  • this signal information also enables the exact start of combustion in the respective cylinder 2 to 5 easy to remove. This can be done by means of a comparison with, for example, empirical empirical values or also with previously determined reference values.
  • the experience and / or reference values are preferably stored in the analysis unit 15.
  • the signal information of the particularly signal-strong angular frequencies can also be used. Those angular frequencies at which the amplitude value lies above a threshold, in particular above the 3dB threshold, are preferred.
  • the signal information, preferably the phase information, of the special angular frequency determined in this way is then made available to the analysis unit 15 as the start of burn signal BS1, BS2, BS3 and BS4 which represents the start of combustion in the respective cylinders 2 to 5.
  • the combustion signals BS1 to BS4 are fed to a controller 16, which uses the information contained about the start of combustion for the (subsequent) control of the respective cylinders 2 to 5, at least insofar as this is still classed as permissible by a higher-level controller limitation that may be present.
  • the (readjustment) control can take place, for example, by varying the start of delivery on an injection pump of internal combustion engine 1, which is not shown in detail.
  • the regulation can take place on the basis of at least one load and / or speed-dependent phase-start of characteristic curve field.
  • the start of combustion for each of the cylinders 2 to 5 is set to the optimum point in time. This is possible, in particular, without the need for additional hardware components in the control device 9 or on the internal combustion engine 1 which are essential for the method described above. In particular, no additional detection of special operating parameters of the internal combustion engine 1 is necessary. The result is a very inexpensive implementation for the detection of the start of combustion and for the cylinder-specific readjustment of the start of combustion.
  • a second exemplary embodiment of the invention is described below with reference to FIG. 2. Identical parts are given the same reference numerals as in the first exemplary embodiment, to the description of which reference is hereby made.
  • the essential difference lies in the exchange of the segmentation unit 14 for an adjustment unit 17, which in the second exemplary embodiment is connected directly after the speed unit 10.
  • the operating principle of the adjusting unit 17 lies essentially in adjusting the operating state of the cylinder 2, for which the start of combustion is currently to be determined, in such a way that that of the cylinder 2 signal component caused in the resulting speed signal or segment signal SS clearly stands out compared to that of the other three cylinders 3 to 5.
  • the segment signal SS is then determined almost exclusively by the cylinder 2 of interest.
  • the operating state is adjusted, for example, by a targeted increase in the amount of fuel supplied. However, other adjustment options are also possible in principle.
  • the improved segment signal SS is used as a whole as a cylinder signal ZS1.
  • the remaining method steps run analogously to the first exemplary embodiment, but with the proviso that analysis unit 15 receives only for the relevant cylinder 2
  • Burning start signal BS1 is generated. Accordingly, only cylinder 2 can be readjusted in this process cycle. For the remaining cylinders 3 to 5, this is then done in sequential order.
  • the adjusting unit 17 successively adjusts the operating state in one of the remaining cylinders 3 to 5 significantly.
  • the adjustment unit 17 advantageously only intervenes when the internal combustion engine 1 has reached its quasi-stationary operating state. This can easily be determined on the basis of the speed signal determined in the speed unit 10 or also the segment signal SS.

Abstract

Das Verfahren dient zur Detektion des Brennbeginns einer Brennkraftma­schine (1) mit mehreren Zylindern (2, 3, 4, 5) mittels eines für eine Welle (6) der Brennkraftmaschine (1) ermittelten Drehzahlsignals. Aus dem Drehzahlsignal wird ein Segmentsignal (SS) mit einer Signallänge entspre­chend einer ganzzahligen Vollumdrehung der Welle (6) extrahiert. Aus dem Segmentsignal (SS) wird ein den Betriebszustand in einem Zylinder (2, 3, 4, 5) wiedergebendes Zylindersignal (ZS1, ZS2, ZS3, ZS4) erzeugt. Das Zylindersignal (ZS1, ZS2, ZS3, ZS4) wird in ein Zylinderfrequenz­signal (FS 1, FS2, FS3, FS4) in einem Winkelfrequenzbereich überführt. Aus dem Zylinderfrequenzsignal (FS 1, FS2, FS3, FS4) wird bei mindes­tens einer vorgegebenen Winkelfrequenz eine den Brennbeginn im zugehö­rigen Zylinder (2, 3, 4, 5) beinhaltende Signalinformation extrahiert.

Description

Verfahren zur Detektion des Brennbeginns einer Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion des Brennbeginns einer Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern mittels eines für eine Welle der Brennkraftmaschine ermittelten Drehzahlsignals.
Bei einer insbesondere selbstzündenden Brennkraftmaschine kann es dazu kommen, dass die Verbrennung in den jeweiligen Zylindern nicht zu dem bestmöglichen Zeitpunkt stattfindet. Diese unerwünschte Abweichung wird durch Alterungseffekte oder durch Fertigungstoleranzen bedingt. Sie kann eine Erhöhung des Abgasausstoßes, eine Zunahme des Kraftstoffverbrauches oder auch eine Verschlechterung des Rundlaufes der Brennkraftmaschine zur Folge haben.
Bekannt sind Verfahren, die den genauen Zeitpunkt des Brennbeginns mittels zusätzlich vorgesehener Sensoren ermitteln. In der DE 33 02 219 AI sowie in der DE 197 49 817 AI werden Verfahren beschrieben, die den Druckverlauf im Zylinder-Innenraum mittels Druck-Sensoren bestimmen. Außerdem werden mit der DE 25 13 289 AI, DE 44 13 473 AI und der DE 196 12 180 Cl Verfahren offenbart, die den Körperschall außen am Gehäuse der Brennkraftmaschinen erfassen. Anhand der so gemessenen Druck- und/oder Körperschallsignale wird auf den Brennbeginn der Brennkraftmaschine zurückgeschlossen. Die bei den bekannten Verfahren zusätzlich erforderlichen Sensoren bedeuten einen nicht unerheblichen Mehraufwand.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren der eingangs bezeichneten Art anzugeben, das die Erfassung des Brennbeginns mit möglichst einfachen Mitteln erlaubt. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruches 1. Das erfindungsgemäße Verfahren kommt regelmäßig ohne zusätzliche Sensorik aus. Es basiert als Messgröße nur auf dem Drehzahlsignal, das in der Regel ohnehin ermittelt wird und somit in einem Steuergerät der Brennkraftma- schine bereits vorliegt. Darüber hinaus lässt sich der exakte Brennbeginn einfach anhand des in den Winkelfrequenzbereich transformierten Zylindersignals ermitteln. Hierzu fallen keine aufwendigen Rechenoperationen an. Für die Transformation in den Winkelfrequenzbereich kann gegebenenfalls auf ohnehin im Steuergerät vorhandene Signaltransformationsverfah- ren zurückgegriffen werden.
Besondere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die Gegenstände der Ansprüche 2 und 3 betreffen jeweils eine vorteilhafte Methode zur Generierung des Zylindersignals, das die auszuwertenden Informationen des gerade interessierenden Zylinders umfasst.
Die Ausgestaltungen nach den Ansprüchen 5 bis 9 betreffen günstige Mög- lichkeiten zur Signalverbesserung, die insbesondere vor der Überführung in den Winkelfrequenzbereich durchgeführt werden. Mittels dieser vorgeschalteten Verfahrensschritte lässt sich der Brennbeginn noch genauer feststellen, da dann auch die im Winkelfrequenzbereich entnehmbare und diesbezüglich relevante Signalinformation mit einer höheren Genauigkeit ermittelt werden kann.
Gemäß der Ausgestaltung nach Anspruch 10 lässt sich das Betriebs verhalten der Brennkraftmaschine verbessern, indem der ermittelte exakte Brennbeginn zur (Nach-)Regelung des betreffenden Zylinders herangezogen wird. Die eingangs beschriebenen Unzulänglichkeiten lassen sich dann weitgehend vermeiden.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele, sowie weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert. Zur Verdeutlichung ist die Zeichnung nicht maßstäblich ausgeführt, und gewisse Aspekte sind nur schematisiert dargestellt. Im Einzelnen zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Brennbeginn- Detektion und
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel.
Einander entsprechende Teile sind in den Fig. 1 und 2 mit denselben Be- zugszeichen versehen.
Das in Fig. 1 dargestellte erste Ausführungsbeispiel dient zur Detektion des Brennbeginns einer insbesondere selbstzündenden Brennkraftmaschine 1, die vier Zylinder 2, 3, 4 und 5 aufweist. Die Zylinderanzahl ist jedoch nur exemplarisch zu verstehen. Das Verfahren kann ebenso auf eine Brennkraftmaschine 1 mit einer anderen Zylinderanzahl angewendet werden. An einer Welle 6, insbesondere der Kurbelwelle, der Brennkraftmaschine 1 ist ein Geberrad 7 angebracht, das über den Umfang verteilt, äquidistant Markierungen aufweist. Diese im Ausführungsbeispiel nicht näher gezeigten Markierungen können beispielsweise in Form von Zähnen oder auch Löchern ausgebildet sein. Ein dem Geberrad 7 zugeordneter Sensor 8, beispielsweise in Gestalt eines Induktivgebers, liefert genau dann ein Signal, wenn sich eine der Markierungen am Sensor 8 vorbeibewegt. Dieses Signal wird einem Steuergerät 9 zugeführt. Das Steuergerät 9 umfasst neben anderen nicht dargestellten Einheiten mehrere auch zur Brennbeginnermittlung bestimmte Untereinheiten. Dies sind eine Drehzahleinheit 10, eine Mittelungseinheit 11, eine Geberradkorrektureinheit 12, eine Signalrekonstruktionseinheit 13, eine Segmentie- rungseinheit 14, eine Analyseeinheit 15 und ein Regler 16. Diese Untereinheiten können physikalisch getrennt, beispielsweise als gesonderte elektronische Baugruppen oder auch zu einer einzigen physikalischen Einheit zu- sammengefasst vorhegen. Letzteres ist insbesondere im Fall einer programmtechnischen Realisierung der Untereinheiten 10 bis 16 auf einem Signalprozessor möglich. Ebenso denkbar ist eine Mischform.
Im Folgenden wird die Funktionsweise der Brennbeginn-Detektion und -Nachregelung näher beschrieben. Das vom Sensor 8 gelieferte Zeitbe- reichs-Signal wird in der Drehzahleinheit 10 in ein Drehzahlsignal, das sich - wie bei der Steuerung von Brennkraftmaschinen üblich - auf den Drehwinkelbereich bezieht, umgewandelt. Das Drehzahlsignal gibt in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Welle 6 die jeweils aktuell vorliegende Wellendrehzahl oder Wellendrehbeschleunigung an.
Anschließend wird aus dem Drehzahlsignal ein Segmentsignal SS mit einem Drehwinkelbereich extrahiert, innerhalb dessen jeder der Zylinder 2 bis 5 genau einmal zündet. Im Fall des Ausführungsbeispieles ist dies ein Segment entsprechend einer zweifachen Vollumdrehung der Welle 6, also mit einem 720 Grad-Drehwinkelbereich. Je nach Art der Brennkraftma- schine 1 oder der zur Erfassung des Drehzahlsignals verwendeten Welle 6, die anstelle als Kurbelwelle auch als Nockenwelle ausgebildet sein könnte, kann der Drehzahlbereich des Segmentsignals SS jedoch grundsätzlich auch eine andere Größe aufweisen. Die Erfassung des Drehzahlsignals und auch des Segmentsignals erfolgt derzeit praktisch in jedem Steuergerät 9 einer Brennkraftmaschine 1. Es handelt sich somit nicht um gesondert für die Brennbeginn-Detektion vorgesehene Erfassungsmittel.
Die im Folgenden beschriebenen Verfahrensschritte gehen stets von dem Vorliegen eines quasi stationären Betriebszustandes der Brennkraftmaschine 1 aus.
Die Verfahrensschritte, die in der Mittelungseinheit 11, in der Geberradkorrektureinheit 12 und der Signalrekonstruktionseinheit 13 vorgenommen werden, sind optional. Sie dienen einer Verbesserung der Signalqualität des Segmentsignals SS. Je höher dessen Qualität ist, desto genauer lässt sich letztendlich auch der Brennbeginn bestimmen.
In der Mittelungseinheit 11 wird der arithmetische Mittelwert zweier oder mehrerer aufeinanderfolgender Segmentsignale SS gebildet. Hierdurch lassen sich insbesondere zyklische Schwankungen, die beispielsweise von einer ungleichmäßigen Verbrennung herrühren, eliminieren.
Aufgrund mechanischer Fertigungstoleranzen kann es zu Ungenauigkeiten bei den an dem Geberrad 7 angeordneten Markierungen kommen. So können sich diese Markierungen nicht in äquidistanten Abständen voneinander befinden. Die dadurch im Segmentsignal SS hervorgerufenen Ungenauig- keiten lassen sich anhand bekannter Korrekturverfahren beseitigen. Mit der DE 41 33 679 AI, DE 4221 891 C2 und der DE 196 22 042 C2 werden derartige Korrekturverfahren beschrieben. Ermittelt werden hierbei Korrekturwerte, die im Steuergerät 9 hinterlegt werden, und anhand derer das Drehzahlsignal und auch das Segmentsignal von den genannten Geberradfehlern befreit werden können.
Eine weitere Möglichkeit zur Signalverbesserung besteht in der Anwen- düng eines Signalrekonstruktions Verfahrens. Die Markierungen auf dem Geberrad 7 befinden sich üblicherweise in Drehwinkel- Abständen von 6 Grad oder auch 10 Grad. Hierdurch wird die Drehzahl der Welle 6 jedoch für manche Anwendungen zu ungenau abgetastet. Derzeit gängige Anwendungen, wie beispielsweise eine Laufruheregelung oder auch eine Brenn- beginnregelung, arbeiten besser, wenn eine höhere Abtastrate vorliegt. Der Einsatz eines Geberrades 7 mit einer größeren Anzahl von Markierungen ist jedoch nicht unproblematisch, da mit steigender Markierungsanzahl der lichte Raum zwischen den einzelnen Markierungen sinkt und damit die Gefahr einer Verschmutzung ansteigt. Eine mögliche Konsequenz wäre das Übersehen einzelner Markierungen.
Die Abtastrate lässt sich aber dennoch mittels bestimmter Verfahren der digitalen Signalverarbeitung erhöhen. Eine erste Möglichkeit ist eine Interpolation im Drehwinkelbereich zwischen den durch die Abtastrate des Ge- berrades 7 bestimmten Abtastwerten. Neben einer einfachen linearen Interpolation kommt insbesondere auch eine Lagrange-Interpolation oder eine sinc-Interpolation in Betracht. Die diesbezüglich besonders vorteilhafte Lagrange-Interpolation ist ein spezielles Polynom-Interpolationsverfahren. Verglichen mit anderen grundsätzlich ebenfalls einsetzbaren Interpolati- onspolynomen höherer Ordnung bietet die Lagrange-Interpolation den Vorteil, ohne die Lösung eines relativ aufwendigen Gleichungssystems auszukommen. Die sinc-Interpolation basiert auf einer mathematischen Faltungsoperation. Sowohl die Lagrange-Interpolation als auch die sinc-Interpolation liefern bei einem periodischen und bandbegrenzten Signal, im Ausführungsbeispiel dem Segmentsignal SS, unter Berücksichtigung des Abtasttheorems eine exakte Signalrekonstruktion, wodurch sie sich vorteilhaft von einer linearen und auch anderen, höhergradigen Polynom-Interpolation unterscheiden.
Eine zweite Möglichkeit zur Erhöhung der Abtastrate ist eine Frequenztransformation des Segmentsignals in den Winkelfrequenzbereich. Diese Transformation erfolgt insbesondere mittels einer diskreten Fourier-
Transformation (DFT) oder einer diskreten Hartley-Transformation (DHT). Im Unterschied zur Fourier-Transformation werden bei der Hartley- Transformation günstigerweise nur rein reelle Operationen vorgenommen. Dadurch ergibt sich ein geringerer Rechenaufwand. Beide Transformatio- nen liefern jeweils einen Amplituden- und einen Phasenwert bei diskreten Winkelfrequenzen, die im Bereich der Brennkraftmaschinen auch als Ordnungen bezeichnet werden. Ein kontinuierliches Rekonstruktionssignal für das Segmentsignal SS ergibt sich anhand einer Superposition harmonischer Teilschwingungen derjenigen Ordnungen (= Winkelfrequenzen), für die im Winkelfrequenzbereich relevante Spektralanteile, also Amplituden- und Phasenwerte, ermittelt worden sind. Die einzelnen harmonischen Teilschwingungen sind dabei mit dem jeweils zugehörigen Amplituden- und Phasenwert gewichtet. Eine exakte Rekonstruktion des Segmentsignals SS ist auf diese Weise und bei Einhaltung des Abtasttheorems möglich, sofern das zugrundeliegende Signal periodisch und bandbegrenzt ist.
Sowohl die Interpolations- als auch die Frequenztransformationsmethode liefern ein rekonstruiertes Signal, das in Form eines analytischen Funktionsausdruckes vorliegt. Diesem kann dann an beliebigen Stellen im Dreh- winkelbereich, also insbesondere auch zwischen den messtechnisch ermittelten Abtaststellen, der benötigte Funktionswert entnommen werden. Somit ergibt sich die gewünschte höhere Abtastrate. So lässt sich aus einem Segmentsignal SS mit einer ursprünglichen Abtastrate von 10 Grad ein modifiziertes Segmentsignal mit einer beliebig höheren Abtastrate, beispielsweise mit einer 0,1 Grad- Abtastung erzeugen.
Sowohl das besonders vorteilhafte Lagrange-Interpolationsverfahren als auch die genannten Frequenz-Transformationsverfahren (DFT, DHT) las- sen sich als sogenannte FIR-Filter (= finite impulse response) realisieren. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Realisierungsformen denkbar.
Nach Durchlaufen der zur Signalverbesserung vorgesehenen Untereinheiten 11, 12 und/oder 13 liegt ein verbessertes Segmentsignal SS vor, das die Informationen über den Brennbeginn in den Zylindern 2 bis 5 beinhaltet.
Das verbesserte Segmentsignal SS wird in der Segmentierungseinheit 14 in insgesamt vier Zylindersignale ZS1, ZS2, ZS3 und ZS4 zerlegt. Jedes Zylindersignal ZS 1 bis ZS4 beinhaltet dann nur noch Informationen über die Zündung in einem einzigen Zylinder. Die Zylindersignale ZS1 bis ZS4 können dabei im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen Winkelbereich von bis zu 180 Grad erfassen. Günstig ist jedoch eine Extraktion von Zylindersignalen ZS1 bis ZS4 aus dem verbesserten Segmentsignal SS , die nur einen Winkelbereich umfassen, innerhalb dessen der eigentliche Zündvorgang in dem jeweiligen Zylinder 2 bis 5 tatsächlich stattfindet, also insbesondere jeweils der um den oberen Zylinder-Totpunkt gelegene Bereich. Hierfür reicht beispielsweise ein Drehwinkelbereich von etwa 40 bis 50 Grad aus. Die so ermittelten Zylindersignale ZS1 bis ZS4 werden der Analyseeinheit 15 zugeführt, die für jedes Zylindersignal ZS1 bis ZS4 eine Frequenztransformation in den Winkelfrequenzbereich durchführt. Dies kann wiederum mittels einer DFT, einer DHT oder einer digitalen Filterung, beispielsweise in Form einer digitalen Bandpass-Filterung mit variabler Mittenfrequenz oder in Form digitaler Filterbänke, geschehen. Diese Überführung in den Winkelfrequenzbereich erzeugt aus den Zylindersignalen ZS1, ZS2, ZS3 und ZS4 jeweils zugehörige Zylinderfrequenzsignale FS1, FS2, FS3 beziehungsweise FS4. Für Letztere liegen dann jeweils wiederum Amplituden- und Phasenwerte bei zugehörigen diskreten Winkelfrequenzen vor.
Diese Signalinformationen, also die Winkelfrequenzen nebst ihren zugehörigen Amplituden- und Phasenwerten, beinhalten die im zugrundeliegenden jeweiligen Zylindersignal ZS1 bis ZS4 enthaltenen Informationen über den Betriebszustand im jeweiligen Zylinder 2 bis 5. Insbesondere lässt sich aus diesen Signalinformationen auch der exakte Brennbeginn im jeweiligen Zylinder 2 bis 5 auf einfache Weise entnehmen. Dies kann mittels eines Vergleichs mit beispielsweise empirischen Erfahrungswerten oder auch mit vorab ermittelten Referenzwerten erfolgen. Die Erfahrungs- und/oder Refe- renzwerte sind vorzugsweise in der Analyseeinheit 15 hinterlegt. Ebenso kann auch auf die Signalinformationen der besonders signalstarken Winkelfrequenzen zurückgegriffen werden. In Frage kommen hierfür bevorzugt diejenigen Winkelfrequenzen, bei denen der Amplitudenwert über einer Schwelle, insbesondere über der 3dB-Schwelle, liegt. Die Signalin- formation, vorzugsweise die Phaseninformation, der so ermittelten speziellen Winkelfrequenz wird dann als den Brennbeginn im jeweiligen Zylinder 2 bis 5 wiedergebendes Brennbeginnsignal BS1, BS2, BS3 und BS4 der Analyseeinheit 15 zur Verfügung gestellt. Die Brennsignale BS1 bis BS4 werden einem Regler 16 zugeführt, der die enthaltene Information über den Brennbeginn zur (Nach-)Regelung des jeweiligen Zylinders 2 bis 5 verwendet, zumindest sofern dies von einer gegebenenfalls vorhandenen übergeordneten Reglerbegrenzung noch als zulässig eingestuft wird. Die (Nach-)Regelung kann beispielsweise mittels einer Variation des Förderbeginns an einer nicht näher dargestellten Einspritzpumpe der Brennkraftmaschine 1 geschehen. Insbesondere kann die Regelung anhand mindestens eines last- und/oder drehzahlabhängigen Phase-Förderbeginn-Kennlinienfeldes erfolgen. Dadurch wird individuell für jeden der Zylinder 2 bis 5 der Brennbeginn auf den optimalen Zeitpunkt eingestellt. Dies ist insbesondere möglich, ohne dass für das vorstehend beschriebene Verfahren wesentliche zusätzliche Hardware-Komponenten in dem Steuergerät 9 oder an der Brennkraftmaschine 1 erforderlich werden. Insbesondere ist auch keine zusätzliche Erfassung spezieller Betriebs- parameter der Brennkraftmaschine 1 notwendig. Es ergibt sich eine sehr kostengünstige Realisierung für die Detektion des Brennbeginns und für die zylinderindividuelle Nachregelung des Brennbeginnzeitpunktes.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Fig. 2 ein zweites Ausfüh- rungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Identische Teile erhalten dieselben Bezugszeichen wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel, auf dessen Beschreibung hiermit verwiesen wird. Der wesentliche Unterschied besteht in dem Austausch der Segmentierungseinheit 14 gegen eine Verstelleinheit 17, die beim zweiten Ausführungsbeispiel der Drehzahleinheit 10 unmit- telbar nachgeschaltet ist.
Die Funktionsweise der Verstelleinheit 17 liegt im wesentlichen darin, beispielsweise den Zylinder 2, für den der Brennbeginn aktuell ermittelt werden soll, in seinem Betriebszustand so zu verstellen, dass der vom Zylinder 2 im resultierenden Drehzahlsignal bzw. Segmentsignal SS hervorgerufene Signalanteil deutlich gegenüber denjenigen der anderen drei Zylinder 3 bis 5 hervortritt. Das Segmentsignal SS ist dann praktisch ausschließlich durch den aktuell interessierenden Zylinder 2 bestimmt. Die Verstellung des Be- triebszustandes erfolgt beispielsweise durch eine zielgerichtete Erhöhung der zugeführten Kraftstoffmenge. Andere Verstellmöglichkeiten sind jedoch grundsätzlich ebenfalls möglich.
Aufgrund der Dominanz des durch den verstellten Zylinder 2 hervorgeru- fenen Signalanteils im Segmentsignal SS entfällt die Notwendigkeit einer weiteren Segmentierung in der Segmentierungseinheit 14 gemäß erstem Ausführungsbeispiel. Das verbesserte Segmentsignal SS wird als Ganzes als Zylindersignal ZS1 herangezogen. Die übrigen Verfahrensschritte laufen analog zum ersten Ausführungsbeispiel ab, allerdings mit der Maßgabe, dass nur für den relevanten Zylinder 2 von der Analyseeinheit 15 ein
Brennbeginnsignal BS1 generiert wird. In diesem Verfahrenszyklus lässt sich demzufolge auch nur der Zylinder 2 nachregeln. Für die übrigen Zylinder 3 bis 5 geschieht dies danach in sequenzieller Abfolge. Die Verstelleinheit 17 verstellt nacheinander den Betriebszustand in jeweils einem der übrigen Zylinder 3 bis 5 signifikant. Vorteilhafterweise erfolgt der Eingriff der Verstelleinheit 17 jeweils erst dann, wenn die Brennkraftmaschine 1 ihren quasi stationären Betriebszustand erreicht hat. Dies lässt sich leicht anhand des in der Drehzahleinheit 10 ermittelten Drehzahlsignals oder auch des Segmentsignals SS feststellen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Detektion des Betriebsbeginns einer Brennkraftmaschine (1) mit mehreren Zylindern (2, 3, 4, 5) mittels eines für eine Welle (6) der Brennkraftmaschine (1) ermittelten Drehzahlsignals, bei dem aus dem Drehzahlsignal mindestens ein Segmentsignal (SS) mit einer Signallänge entsprechend einer ganzzahligen Vollumdrehung der Welle (6) extrahiert wird, so dass in dem durch die Signallänge repräsentierten Drehwinkelbereich jeder Zylinder (2, 3, 4, 5) ein- mal zündet, aus dem Segmentsignal (SS) ein im wesentlichen den Betriebszustand in einem der Zylinder (2, 3, 4, 5) wiedergebendes Zylindersignal (ZS1, ZS2, ZS3, ZS4) erzeugt wird, - das Zylindersignal (ZS 1 , ZS2, ZS3, ZS4) in ein Zylinderfrequenz- signal (FS1, FS2, FS 3, FS4) in einem Winkelfrequenzbereich überführt wird und aus dem Zylinderfrequenzsignal (FS1, FS2, FS3, FS4) bei mindestens einer vorgegebenen Winkelfrequenz eine den Brennbeginn im zugehörigen Zylinder (2, 3, 4, 5) beinhaltende Signalinformation extrahiert wird.
2. Verfahren nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zylindersignal (ZS1, ZS2, ZS3, ZS4) mittels Extraktion eines Teilsignals aus dem Segmentsignal (SS) erzeugt wird, wobei das Teilsignal den Drehwinkelbereich erfasst, innerhalb dessen der betreffende Zylinder (2, 3, 4, 5) zündet.
3. Verfahren nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebszustand in dem Zylinder (2), für den der Brennbeginn detektiert werden soll, verstellt wird und das sich nach der Verstellung ergebende Segmentsignal (SS) insgesamt als das für diesen Zylinder (2) maßgebliche Zylindersignal (ZS1) herangezogen wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Zylinderfrequenzsignal (FS1, FS2, FS3, FS4) mittels einer Frequenztransformation, insbesondere mittels einer diskreten Hartley-Transformation oder einer diskreten Fourier-Transformation, oder mittels digitaler Filterung erzeugt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei aufeinanderfolgende Segmentsignale (SS) arithmetisch gemittelt werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des Drehzahlsignals ein Geberrad (7) eingesetzt wird und die von Geberradfehlern resultierenden Unge- nauigkeiten im Segmentsignal (SS) zumindest weitgehend eliminiert werden.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels digitaler Signalverarbeitung ein verbessertes Segmentsignal (SS ), insbesondere mit einer höheren Abtastrate, erzeugt wird.
8. Verfahren nach Ansprach 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Segmentsignal (SS) einem Inte olationsverfahren, insbesondere einer Lagrange- oder einer sinc-Interpolation, unterzogen wird.
. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Segmentsignal (SS) einer Frequenztransformation, insbesondere einer diskreten Hartley- oder einer diskreten Fourier-Transformation, unterzogen wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die den Brennbeginn beinhaltende Signalinformation zur Regelung des Brennbeginns eingesetzt wird.
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