DE10321665A1 - System und Verfahren zur Diagnose und Kalibrierung von Verbrennungsmotoren - Google Patents

System und Verfahren zur Diagnose und Kalibrierung von Verbrennungsmotoren

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DE10321665A1
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    • F02D41/14—Introducing closed-loop corrections
    • F02D41/1401—Introducing closed-loop corrections characterised by the control or regulation method
    • F02D41/1405—Neural network control

Abstract

Ein Verfahren, ein System und ein maschinenlesbares Speichermedium zur Bestimmung eines vorbestimmten Betriebszutandes eines Verbrennungsmotors wird offenbart. Im Betrieb messen das Verfahren, das System und das maschinenlesbare Speichermedium einen Zylinderdruck in mindestens einer Brennkammer an einem vorbestimmten Punkt in einem Verbrennungszyklus. Als nächstes bestimmen das Verfahren, das System und das maschinenlesbare Speichermedium mindestens einen ersten Wert für einen Betriebsparameter des Motors unter Verwendung des gemessenen Zylinderdruckes, sie bestimmen einen zweiten Wert für den Betriebsparameter des Motors unter Verwendung von Daten, die von mindestens einem Motorsensor aufgenommen wurden, und erzeugen dann ein vorbestimmtes Signal, wenn eine Differenz zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert eine vorbestimmte Beziehung hat.

Description

    Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Systeme und Verfahren zur Diagnose von Verbrennungsmotoren und insbesondere auf Systeme und Verfahren zur Diagnose und Kalibrierung von Verbrennungsmotoren unter Verwendung einer Vielzahl von Motorsensoren.
    • Hintergrund
  • Neuere gesetzliche Anforderungen, die von der Umweltschutzbehörde auferlegt werden, verlangen die Fähigkeit zur Ausführung einer Online-Diagnose der Verbrennungsmotorleistung, um eine Übereinstimmung mit Abgasemissionsregelungen sicherzustellen. Eine solche Variable, die eine hervorragende Anzeige der Motorleistung bietet, ist das angezeigte Drehmoment, welches von jedem Zylinder während des Verlaufes des Verbrennungsprozesses erzeugt wird. Es gibt eine Anzahl von Ansätzen, die verwendet werden kann, um das Drehmoment zu berechnen, wobei die meisten davon auf einer Kombination der Kenntnisse von einer Vielzahl von Motorsensoren beruhen. Ebenfalls sind Drehmomentberechnungen so komplex, daß verschiedene gleichzeitige Messungen oft verwendet werden, um genaue und zuverlässige Berechnungen sicherzustellen. Beispielsweise liegt ein Ansatz in den Brennstoffeinspritzvorrichtungssteuereinstellungen und den Sensoren, um den Drehmomentpegel des Motors anzuzeigen. Wenn eine Einspritzvorrichtung versagt, kann die Voraussage beträchtlich an Genauigkeit verlieren. Das Problem kann unentdeckt durchgehen, außer vielleicht durch einen Bediener, der den Leistungsverlust erkennt, außer wenn es Sensorinformationen gibt, die die tatsächliche Leistung der Einspritzvorrichtung anzeigen. Unglücklicherweise ist eine in der Produktion vorgesehene Instrumentierung der Einspritzvorrichtung zu kostspielig, so daß eine implizite Einspritzvorrichtungsleistungsmessung gegenwärtig die am besten durchführbare praktische Option ist.
  • Anstelle auf den Einstellungen einer Brennstoffeinspritzvorrichtungssteuerung zu beruhen, kann drehmomentbasierend auf der Ausgangsgröße der Nockenwellen- und Kurbelwellendrehzahlsensoren berechnet werden. Da die meisten modernen Verbrennungsmotoren eine Redundanz der Nockenwellen- und Kurbelwellendrehzahlsensoren aufweisen, sind diese Drehmomentberechnungen typischerweise leichter zu berechnen und zuverlässiger. Wenn ein Sensor versagt, wird sein Versagen detektiert, und ein Backup- bzw. Ersatzsensor wird verwendet.
  • In neuerer Zeit haben Motorhersteller damit begonnen, Drehmoment als eine Funktion des Zylinderdruckes zu berechnen. Bei diesem Ansatz wird der Zylinderdruck während der Verbrennung verwendet, um eine augenblickliche Kurbelwellengeschwindigkeit bzw. -drehzahl zu berechnen, die dann in Drehmoment umgewandelt wird. Das Verhältnis von zwei Zylinderdruckmessungen (beispielsweise eine beim oberen Totpunkt (TDC = top dead center) und eine bei 60° vor dem oberen Totpunkt) können verwendet werden, um das Drehmoment zu berechnen. Das gemessene Druckverhältnis in einem oder mehreren Zylindern wird mit einem optimalen Druckverhältnis für die speziellen Motorbetriebszustände verglichen, und eine oder mehrere Einspritzvorrichtungen können getrimmt bzw. eingestellt werden (d. h. das Verhältnis von Luft zu Brennstoff wird modifiziert), um den Motorbetrieb zu optimieren. Der Prozeß, ein Ziel-Drehmoment durch Bewertung von Druckverhältnissen zu erreichen, ist als weniger kompliziert befunden worden als die zuvor besprochenen Verfahren, weil weniger Berechnungen ausgeführt werden müssen und versagende Sensoren leichter identifiziert werden. Eine Druckabfühlung im Zylinder durch Hardware bzw. Komponenten oder virtuell sieht ebenfalls weitere Messungen vor, die nicht von der Kurbelwellendrehzahl verfügbar sind. Beispielsweise kann eine Druckabfühlung im Zylinder verwendet werden, um Fehlzündungsschaltungen zu identifizieren und Verbrennungsgeräusche zu berechnen. Der Zylinderdruck kann auch verwendet werden, um die Masse der Luft zu berechnen und zu optimieren, die in einem Zylinder vorhanden ist, und auch die Luftdichte in einem Zylinder.
  • Bei den gegebenen vielen Verfahren zur Berechnung von Drehmoment und der Komplexität der Berechnungen suchen die Motorhersteller konstant nach neuen Wegen zur Verbesserung der Genauigkeit der Berechnungen. In letzter Zeit sind neurale Netzwerke verwendet worden, um weiter die Genauigkeit einer Drehmomentabschätzung bei Systemen des Standes der Technik zu verbessern. Beispielsweise offenbaren Zavarehi und andere im US- Patent 6 234 010 ein Verfahren zur Detektion von Drehmoment eines sich hin und her bewegenden Verbrennungsmotors unter Anwendung eines neuralen Netzwerkes, wobei folgende Schritte vorgesehen werden: Abfühlen einer Kurbelwellendrehzahl für eine Vielzahl von festgelegten Kurbelwellenrotationspositionen über eine vorbestimmte Anzahl von Rotationszyklen für jede Kurbelwellenposition; Bestimmung einer durchschnittlichen Kurbelwellendrehzahlfluktuation für jede Kurbelwellenposition; Bestimmung von Informationen, die Veränderungen der kinetischen Energie der Kurbelwelle aufgrund von jedem Zündungsereignis und jedem Kompressionsereignis in dem Zylinder darstellen; Bestimmung von Informationen, die das Kurbelwellendrehmoment als eine Funktion der Veränderungen der kinetischen Energie der Kurbelwelle und der durchschnittlichen Kurbelwellendrehzahl darstellen; und Ausgabe eines repräsentativen Kurbelwellendrehmomentsignals aus einem neuralem Netzwerk. Da das bei dieser Bezugsschrift offenbarte System Veränderungen der kinetischen Energie aufgrund von Verbrennungs- und Kompressionsereignissen berechnet, müssen zwei Eingangsgrößen für jeden Zylinder und eine Eingangsgröße für die durchschnittliche Kurbelwellendrehzahl in das neurale Netzwerk eingegeben werden. Dies hat eine sehr komplizierte prozessorintensive Netzwerkberechnung zur Folge.
  • Was wünschenswert ist, ist ein genaues System und ein Verfahren, die das Drehmoment, Zylinderfehlzündungen und andere Motorbetriebsvorgänge bestimmen können, die auf einer kleinen Anzahl von Motorbetriebsmessungen beruhen, und die keine übermäßige Verarbeitungsfähigkeit erfordern.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Ein Verfahren zur Bestimmung eines vorbestimmten Betriebszustandes eines Verbrennungsmotors wird offenbart. Im Betrieb mißt das Verfahren einen Zylinderdruck in mindestens einer Brennkammer an einem vorbestimmten Punkt in einem Verbrennungszyklus. Als nächstes bestimmt das Verfahren mindestens einen ersten Wert für einen Betriebsparameter des Motors unter Verwendung des gemessenen Zylinderdruckes, bestimmt einen zweiten Wert für den Betriebsparameter des Motors unter Verwendung von Daten, die von mindestens einem Motorsensor aufgenommen wurden, und erzeugt dann ein vorbestimmtes Signal, wenn eine Differenz zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert eine vorbestimmte Beziehung hat. Eine Vorrichtung und ein maschinenlesbares Medium sind ebenfalls vorgesehen, um das offenbarte Verfahren einzurichten.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines beispielhaften Motorsteuersystems, welches Aspekte von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung verwenden kann;
  • Fig. 2 ist ein Wellenformdiagramm zur Darstellung von Veränderungen des Druckes innerhalb der Zylinder eines Vier-Takt-Vier- Zylinder-Motors als eine Funktion des Kurbelwellenwinkels;
  • Fig. 3 ist ein Flußdiagramm, welches den allgemeinen Betrieb eines beispielhaften Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zur Berechnung des Zylinderdruckes zeigt; und
  • Fig. 4 ist ein neurales Radialbasis-Netzwerk gemäß eines beispielhaften Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
    • Detaillierte Beschreibung
  • Für die Zwecke der Begünstigung eines Verständnisses der Prinzipien der Erfindung wird nun Bezug auf die Ausführungsbeispiele genommen, die in den Zeichnungen veranschaulicht sind, und eine spezielle Sprache wird verwendet werden, um diese zu beschreiben. Es wird trotzdem klar sein, daß keine Einschränkung des Umfangs der Erfindung dadurch beabsichtigt wird. Die Erfindung umfaßt irgend welche Veränderungen und weitere Modifikationen an den veranschaulichten Vorrichtungen und beschriebenen Verfahren und weitere Anwendungen der Prinzipien der Erfindung, die normalerweise einem Fachmann für die Technik offensichtlich werden würden, auf die sich die Erfindung bezieht.
  • Mit Bezug auf Fig. 1 weist ein Motorsteuersystem 16 zur Diagnose und Kalibrierung eines Verbrennungsmotors gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung mindestens einen Kurbelwellenwinkelsensor 2 auf, mindestens einen Zylinderdrucksensor 4, eine Motorsteuervorrichtung 6, verschiedene Sensoren 8 zur Messung der Motorbetriebszustände und ein elektronisches Steuermodul (ECM = electronic control module) 10. In einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann das Motorsteuersystem 16 mehrere Kurbelwellenwinkelsensoren 2 aufweisen (einen für jeden Zylinder). Während das offenbarte Ausführungsbeispiel derart beschrieben wird, daß es einen Sensor 2 vorsieht, um Kurbelwellenwinkel zu messen, wobei die Ergebnisse an ein elektronisches Steuermodul geliefert werden und dann ein Zylinderdrucksensor 4 angewiesen wird, Zylinderdrücke bei spezifischen Kurbelwellenwinkeln zu messen, wird der Fachmann für die Motorsteuerung erkennen, daß es verschiedene andere Verfahren zur Zeitsteuerung der Zylinderdruckmessung gibt. Das elektronische Steuermodul 10 weist einen Mikroprozessor 12 auf. Das elektronische Steuermodul 10 weist auch einen Speicher oder eine Datenspeichereinheit 14 auf, die eine Kombination aus ROM bzw. Lesespeicher und RAM bzw. Arbeitsspeicher enthalten kann. Das elektronische Steuermodul 10 nimmt ein Kurbelwellenwinkelsignal (S1) vom Kurbelwellenwinkelsensor 2 auf, weiter ein Zylinderdrucksignal (S2) von dem Zylinderdrucksensor 4 und Motorbetriebszustandssignale (S3) von den verschiedenen Motorsensoren 8. Die Motorsteuervorrichtung 6 nimmt ein Steuersignal (S4) zur Einstellung des Motors 15 auf. Obwohl Fig. 1 einen einzigen Zylinderdrucksensor 4 abbildet, kann der Motor 15 mehrere Zylinder aufweisen, die jeweils einen Zylinderdrucksensor 4 enthalten, auch kann mehr als ein Zylinderdrucksensor in jedem Zylinder angeordnet sein.
  • Mit Bezug auf Fig. 2 ist dort nun ein Wellenformdiagramm gezeigt, welches Veränderungen des Druckes innerhalb der Zylinder 1 bis 4 bei einem herkömmlichen Vier-Takt-Vier-Zylinder-Motor als eine Funktion des Kurbelwellenwinkels veranschaulicht. Über dem Wellenformdiagramm ist eine Beschreibung des Prozesses gezeigt, der im Zylinder Nr. 1 ausgeführt wird. Typischerweise wird von 0 bis 180° Brennstoff in den Zylinder eingespritzt (Einlaßhub); von 180 bis 360° wird die Luft und der Brennstoff in dem Zylinder komprimiert (Kompressions- bzw. Verdichtungshub); von 360 bis 540° wird die Luft und der Brennstoff in dem Zylinder gezündet (Leistungshub) und von 540 bis 720° werden Abgase aus dem Zylinder ausgestoßen (Auslaßhub). Die verschiedenen Hübe, wie sie oben beschrieben werden, können bei manchen Motoren geringfügig unterschiedlich sein. Beispielsweise wird bei Dieselmotoren Brennstoff nicht in den Motor während des Einlaßhubes eingespritzt. Viele Dieselmotoren verwenden statt dessen eine direkte Einspritzung, die gestattet, daß diese Motoren eine Ratenformung und andere feine Einspritzsteuerungen ausführen, um ein angepeiltes Wärmeabgabeprofil zu erreichen, was ohne eine direkte Einspritzung nicht ausgeführt werden kann. In anderen Ausführungsbeispielen können verschiedene Hübe an unterschiedlichen Punkten auftreten, werden jedoch zur Vereinfachung so beschrieben, wie oben angezeigt. Dieser Vier-Takt-Prozeß wiederholt sich alle 720°. Unter der Zeitlinie des Zylinders Nr. 1 ist ein Wellenformdiagramm gezeigt, welches grafisch die Kompressions- und Leistungshübe für die Zylinder 1 bis 4 abbildet. Ungefähr bei jeden 180° ist einer der vier Zylinder im Leistungshub. Die Y-Achse wird mit "Zylinderdruck (kg/cm2)" bezeichnet, wobei die Werte von 1 bis 10 reichen. Die X-Achse ist die Winkelverschiebung des Kurbelrades, welches mit der Kurbelwelle gekoppelt ist, wobei die Werte von 0° bis 1440° reichen. Daher ist es offensichtlich, daß Fig. 2 vier Umdrehungen der drehbaren Kurbelwelle abbildet. Es sei bemerkt, daß jeder Zyklus des Motors 15 zwei Umdrehungen der drehbaren Kurbelwelle oder 720° aufweist. Wie in der folgenden detaillierten Beschreibung offensichtlich werden wird, basiert das veranschaulichte Ausführungsbeispiel auf einem Vier-Zylinder-Motor und wird mit Bezug darauf beschrieben. Es sei jedoch bemerkt, daß die dargelegten Verfahren leicht zur Anwendung in irgend einer Konfiguration eines Verbrennungsmotors angepaßt werden könnten, einschließlich beispielsweise an einen Sechs-Zylinder-Reihenmotor und einen 16-Zylinder-V-Dieselmotor.
  • Die Steuerroutine gemäß eines beispielhaften Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zur Messung von Drehmoment, Fehlzündungen und/oder Betriebsvorgängen eines Verbrennungsmotors ist in Fig. 3 gezeigt. Diese Routine kann in dem Speicher 14 des elektronischen Steuermoduls 10 gespeichert werden und von dem Mikroprozessor 12 ausgeführt werden. Im Block 302 bestimmt der Kurbelwellenwinkelsensor 2 den Kurbelwinkel der Kurbelwelle (beispielsweise berechnet oder mißt er diesen) und erzeugt ein Ausgangssignal (S1) an das elektronische Steuermodul 10, welches den gemessenen Kurbelwinkel anzeigt. Im Block 304 wird eine Abfrage ausgeführt um zu bestimmen, ob der Kurbelwinkel auf einem ersten vorbestimmten Winkel ist, wie beispielsweise 25° nach dem oberen Totpunkt (ATDC = after top dead center). Sobald bestimmt wird, daß der Kurbelwinkel 25° nach dem oberen Totpunkt ist, wird die Steuerung zum Block 306 übertragen, um den Zylinderdruck PT eines ersten Zylinders (beispielsweise des Zylinders Nr. 4) zu speichern (angezeigt durch das Signal S2), wie von dem Zylinderdrucksensor 4 gemessen, und zwar im Speicher 14.
  • Nach der Speicherung von PT geht die Steuerung weiter zum Block 308, wo der Kurbelwinkelsensor 2 wiederum den Kurbelwinkel der Zylinderkurbelwelle mißt und ein Ausgangssignal S1 für das elektronische Steuermodul 10 erzeugt, welches den gemessenen Kurbelwinkel anzeigt. Im Block 310 wird eine Abfrage ausgeführt um zu bestimmen, ob der Kurbelwinkel auf einem zweiten vorbestimmten Winkel ist, wie beispielsweise auf 25° nach dem unteren Totpunkt (ABDC = after bottom dead center). Sobald bestimmt wird, daß der Kurbelwinkel 25° nach dem unteren Totpunkt ist, wird die Steuerung zum Block 312 übertragen, um den Zylinderdruck PB des nächsten Zylinders (beispielsweise des Zylinders Nr. 2) zu speichern (durch das Signal S2 angezeigt), wie durch den Zylinderdrucksensor 4 gemessen, und zwar im Speicher 14.
  • Diskrete bzw. getrennte Druckaufnahmen, die während des Kompressionshubes aufgenommen wurden, können verwendet werden, um die Luftmasse zu bestimmen, die in dem Zylinder vorhanden ist. Wenn bestimmt wird, daß diese Masse außerhalb eines erwünschten Bereiches ist, kann die Betätigung des Einlaß- oder Auslaßventils oder der Betrieb des Turboladers einen Fehler aufweisen. Falls nötig kann eine entsprechende Modifikation an der Motorleistung vorgenommen werden. Beispielsweise können das Einlaßventil, das Auslaßventil und/oder der Turbolader (kalibriert oder eingestellt werden), um den Zielwert zu ergeben.
  • Diskrete Druckaufnahmen, die während des Leistungshubes aufgenommen wurden, können verwendet werden, um die Wärmeabgabe in dem Zylinder zu berechnen, um Informationen über das Brennstoffeinspritzereignis zu liefern. Wenn die Wärmeabgabe beispielsweise übermäßig oder zu gering ist, kann die Zeitsteuerung und die Dauer der Einspritzimpulse eingestellt werden, um einen erwünschten Wert zu erhalten.
  • Bei Motoren, bei denen eine Hubüberlappung gesteuert werden kann (variable Ventilzeitsteuerung) können diskrete Druckaufnahmen, die während der Überlappungsperiode der Einlaß- und Auslaßventilöffnung aufgenommen wurden, verwendet werden, um die Menge des Residualgases zu berechnen, welches in Emissions/Leistungsvorhersagealgoritmen zu verwenden ist. Wenn die aufgenommene Druckgröße außerhalb eines vorbestimmten Bereiches ist, kann beispielsweise die Einlaß- oder Auslaßventilbetätigung oder der Turboladerbetrieb kalibriert oder getrimmt werden.
  • Zusätzlich dazu, daß sie auf diskreten Druckaufnahmen beruhen, können die obigen Berechnungen auf Sensoreingangsgrößen basieren. Beispielsweise kann eine Tabelle des volumetrischen Wirkungsgrades (Ve-Tabelle) Achsen für die Motorumdrehungen pro Minute haben (beispielsweise von einem Zeitsteuerungssensor abgeleitet) und für die Luftdichte für feste Ventilereignisse. Die Tabelle des volumetrischen Wirkungsgrades kann zusätzliche Achsen für flexible Ventilereignisse haben. Die Luftdichte ist abhängig von der Einlaßsammelleitungstemperatur (Sensor) und von den Druckauslesungen (Sensor). Die Regel für die angepeilte Luftmasse kann sein, daß diese in einen vorbestimmten Bereich fällt (beispielsweise ± 5 Prozent) des Wertes, der über die Tabelle des volumetrischen Wirkungsgrades abgeleitet wird. Genauso können die Brennstoff- und Kühlmitteltemperaturen zusätzlich erforderlich sein, um die erwartete Zündverzögerung aus einer Nachschautabelle heraus zu finden. Die Zündverzögerung kann erforderlich sein, um zu berechnen, ob eine Einspritzzeitsteuerung und eine Einspritzdauer zu Zielwerten in einer anderen Nachschautabelle paßt oder nicht (beispielsweise Motorumdrehungen pro Minute, Luftmasse, Umgebungsbedingungen und Brennstoffmasse sind gleiche Achsen). In vielen Fällen kann die Sensoreingangsgröße von entweder einem virtuellen Sensor oder einem Hardware- Sensor herkommen. Das Ziel kann zweifach sein: Als erstes soll jeder Zylinder so eingestellt werden, daß er gleich arbeitet, und als zweites soll die Anordnung der Zylinder so angeordnet bzw. ausgewogen sein, daß sie zum Ziel aus der Nachschautabelle paßt.
  • Wenn der Motor mit niedriger Drehzahl und leichten Belastungen arbeitet kombiniert sich eine Anzahl von Faktoren zur Erzeugung von Geschwindigkeits- bzw. Drehzahlmustern, die chaotisch erscheinen. Unter diesen Faktoren sind der Getriebeleergang, Motorregelungseinstellungen und eine Detektion von falschen Zahnradzähnen. Ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet ein neurales Radialbasis-Netzwerk (RBNN) zur Modellierung von bekannten Drehzahlmustern auf verschiedenen Pegeln der individuellen Zylinderleistung und verwendet dann eine Mustererkennung, um genauer die Motorleistung während Perioden von anscheinend zufälligem Motorverhalten zu charakterisieren. Ein neurales Radialbasis-Netzwerk ist ein neurales Netzwerkmodell, welches vorzugsweise auf Radialbasisfunktionsapproximatoren beruht, wobei die Ausgangsgröße davon eine Zahl mit realem Wert ist, die das abgeschätzte Motordrehmoment an einem festgelegten Testpunkt darstellt. Wenn man ein neurales Radialbasis-Netzwerk verwendet, werden Zylinderdruckdaten in integrierte Messungen komprimiert, da die Anwendung von diskreten Proben eine übermäßige Anzahl von Modelleingangsgrößen erfordern würde. Ein zweites beispielhaftes Ausführungsbeispiel kann eine Rückfortpflanzung oder ein anderes neurales Netzwerk verwenden. Mit Bezug auf Fig. 4 ist ein typisches neurales Radialbasis-Netzwerk 400 mit Eingangsschichten 410, mit versteckten Schichten 420 und mit Ausgangsschichten 430 gezeigt. Wiederum hat jede Schicht verschiedene Verarbeitungseinheiten, die Zellen (C1-C5) genannt werden, die durch Verbindungen 440 verbunden sind. Jede Verbindung 440 hat ein numerisches Gewicht Wij, die den Einfluß der Zelle Ci auf die Zelle Cj bezeichnet und das Verhalten des Netzwerkes bestimmt. Jede Zelle Ci berechnet eine numerische Ausgangsgröße, die die Drehmomentsgröße für einen Zylinder des Verbrennungsmotors 15 anzeigt.
  • Da der veranschaulichende, jedoch nicht einschränkende Verbrennungsmotor 12 vier Zylinder hat und die Drehmomentgröße als eine Funktion der Zylinderdruckveränderung aufgrund der Verbrennungs- und Kompressionseffekte und der durchschnittlichen Kurbelwellendrehzahl bestimmt wird, kann das neurale Radialbasis-Netzwerk für das Motordrehmoment mindestens vier (die Anzahl der Zylinder) mal x (die Druckveränderung kann durch x Zahlen von Variablen) Eingangsgrößen aufweisen plus Eingangsgrößen für die Einspritzzeitsteuerung IMT usw. Die Zellen in der Eingangsschicht normalisieren die empfangenen Eingangssignale (vorzugsweise zwischen -1 und +1) und leiten die normalisierten Eingangsgrößen an Gaußsche Verarbeitungszellen in der versteckten Schicht weiter. Wenn die Gewichtungs- und Schwellenfaktoren eingestellt worden sind, um Pegel zu korrigieren pflanzt sich ein komplexes Stimulus-Muster an der Eingangsschicht sukzessive zwischen den versteckten Schichten fort um ein einfacheres Ausgangsmuster zur Folge zu haben. Das Netzwerk wird durch Einspeisung mit einer Abfolge von Eingangsmustern und entsprechenden erwarteten Ausgangsmustern "belehrt". Das Netzwerk "lernt" durch Messung der Differenz (bei jeder Ausgangseinheit) zwischen dem erwarteten Ausgangsmuster und dem Muster, welches es gerade erzeugt hat. Wenn man dies getan hat, werden die inneren Gewichtungen und Schwellen durch einen Lernalgorithmus modifiziert, um ein Ausgangsmuster vorzusehen, welches sich enger an das erwartete Ausgangsmuster annähert, während man den Fehler über das Spektrum der Eingangsmuster minimiert. Das Lernen des Netzwerkes ist ein iterativer Prozeß, der mehrere "Lektionen" mit einbezieht. Neurale Netzwerke haben die Fähigkeit, Informationen in Anwesenheit von verrauschten oder unvollständigen Daten zu verarbeiten und immer noch die korrekte Lösung generell darzustellen.
  • Als ein alternatives Verfahren, welches einen Festkommaprozessor verwendet, kann ein Ansatz mit einem linearen neuralen Netzwerk verwendet werden. In dem Ansatz mit dem linearen neuralen Netzwerk sind die Eingangsgrößen und Ausgangsgrößen in einem binären Format von -1 (oder 0) +1 und nicht die Eingangs- und Ausgangsdaten mit realen Werten, die bei dem neuralen Radialbasis-Netzwerk verwendet werden. Bei diesem Ansatz wird die Drehmomentgröße so bestimmt, daß sie die höchstwertige Ausgangsgröße ist.
  • In einem zweiten beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann das neurale Radialbasis-Netzwerk 400 verwendet werden, um Verbrennungsgeräusche (klopfen) zu identifizieren. Wie es in der Technik bekannt ist, wird das Klopfsignal typischerweise erzeugt, wenn sich der Zylinderdruck dem maximalen Wert nähert. Während der Frequenzbereich des Klopfsignals mit dem Innendurchmesser des Zylinders variiert, übersteigt er im allgemeinen 5 kHz. Daher wird es durch Hindurchleiten der Zylinderdruckwellenform, die von dem neuralen Radialbasis-Netzwerk 400 erzeugt wird, durch einen Hochpaßfilter, dessen Cutoff- bzw. Abschnittsfrequenz um 5 kHz liegt, möglich, nur das Klopfsignal zu extrahieren. Da das Verbrennungsklopfen auch dazu tendiert, intensive bzw. übermäßige Verbrennungstemperaturen anzuzeigen, die die Erzeugung von verschiedenen Stickoxyden (NOx) begünstigen, kann das neurale Radialbasis-Netzwerk 400 auch verwendet werden, um die NOx-Produktion zu steuern.
    • Industrielle Anwendbarkeit
  • Während der Motor 15 ausgelegt ist, um im wesentlichen das gleiche Verbrennungsereignis in jedem Zylinder für einen gegebenen Satz von Motorzuständen zu erreichen, wird das Verbrennungsereignis innerhalb jedes Zylinders von Zylinder zu Zylinder aufgrund von Herstelltoleranzen und aufgrund von durch Verschlechterung eingeleiteten strukturellen und funktionellen Unterschieden zwischen den Komponenten variieren, die mit den Zylindern assoziiert sind. Durch Überwachung der Veränderlichkeit des Druckverhältnisses in den einzelnen Zylindern kann daher das Motorsteuersystem 16 getrennt das Verhältnis von Luft zu Brennstoff innerhalb der unterschiedlichen Zylinder einstellen, um die Leistung der einzelnen Zylinder auszugleichen. In ähnlicher Weise kann durch Vergleich des Druckes der einzelnen Zylinder und ihrer Veränderungen mit den vorbestimmten Zieldrücken das Motorsteuersystem 16 der vorliegenden Erfindung genau das Drehmoment und andere Messungen berechnen, während ebenfalls eine schlechte Funktion oder eine Verschlechterung von Komponenten detektiert wird.
  • Die vorliegende Erfindung kann vorteilhaft anwendbar bei der Ausführung von Diagnose und Einspritzeinstellungen sein, die eine Abfühlung des Druckes im Zylinder verwenden. Bei der Einrichtung von komplexen Einspritz- und Luftsystemen in Verbrennungsmotoren kommen Schwierigkeiten zur Kalibrierung und zur Diagnose vor. Eine gewisse Kalibrierung kann auf dem Niveau der Komponenten bei dem Herstellzeitpunkt von jedem Element stattfinden (Komponentenkalibrierung). Andere Kalibrierungen müssen stattfinden, sobald die Komponenten zu dem System zusammengebaut worden sind (Systemkalibrierung). Die Systemkalibrierung kann manchmal die Notwendigkeit für Komponentenkalibrierungen eliminieren, wobei somit die Zeit und die Kosten für redundante Betriebsvorgänge eingespart werden. Dieses Verfahren schließt den Vorteil mit ein, daß es die Fähigkeit bietet, eine Online-Diagnose und eine Systemkalibrierung unter Verwendung einer Druckabfühlung im Zylinder auszuführen.
  • Ein weiterer Aspekt des beschriebenen Systems kann der Vorteil sein, daß es externe Meßvorrichtungen wie beispielsweise Dynamometer bzw. Leistungsmeßstände eliminiert. Das repräsentative Kurbelwellendrehmoment kann darauf ansprechend erzeugt werden und einem Anwender übermittelt werden, kann gespeichert und/oder zu einer Basisstation für eine darauf folgende Handlung übertragen werden. Diese vorliegende Erfindung kann bei nahezu irgend einer Art und Größe eines Verbrennungsmotors verwendet werden.
  • Noch ein weiterer Aspekt der beschriebenen Erfindung kann der Vorteil sein, der durch die Anwendung eines neuralen Netzwerkes vorgesehen wird, um Drehmoment, Verbrennungsklopfen und Fehlzündungen zu modellieren. Die Anwendung von neuralen Netzwerken gestattet, daß die vorliegende Erfindung genaue und prompte Rückmeldungen an ein Steuermodul und/oder die Anwender eines Systems liefert.
  • Vorteile des beschriebenen Systems sind eine Reduzierung der Garantie bzw. Garantieleistungen und eine Übereinstimmung mit den Emissionsregelungen. Eine genauere Überwachung des Motorsystems wird engere Entwicklungsrahmen für Emissionen zulassen, was direkt eine bessere Brennstoffausnutzung für den Endanwender zur Folge hat.
  • Während die Erfindung im Detail in den Zeichnungen und in der vorangegangenen Beschreibung veranschaulicht und beschrieben worden ist, soll diese als veranschaulichend und nicht einschränkend angesehen werden. Es sei bemerkt, daß nur beispielhafte Ausführungsbeispiele gezeigt und beschrieben worden sind, und daß alle Veränderungen und Modifikationen, die in den Kern der Erfindung fallen, geschützt werden sollen.

Claims (10)

1. Verfahren zur Bestimmung eines vorbestimmten Betriebszustandes eines Verbrennungsmotors, wobei das Verfahren Folgendes aufweist:
Messung eines Zylinderdruckes in mindestens einer Brennkammer an einem vorbestimmten Punkt in einem Verbrennungszyklus;
Bestimmung von mindestens einem ersten Wert für einen Betriebsparameter des Motors unter Verwendung des gemessenen Zylinderdruckes;
Bestimmung eines zweiten Wertes für den Betriebsparameter des Motors unter Verwendung von Daten, die von mindestens einem Motorsensor empfangen wurden; und
Erzeugung eines vorbestimmten Signals, wenn eine Differenz zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert eine vorbestimmte Beziehung hat.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der vorbestimmte Punkt in einem Verbrennungszyklus während mindestens einem Hub eines Verbrennungszyklus ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Erzeugungsschritt den Schritt aufweist, ein vorbestimmtes Signal zu erzeugen, wenn eine Differenz zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert eine vorbestimmte Größe überschreitet.
4. Verfahren zur Bestimmung eines vorbestimmten Betriebszustandes eines Verbrennungsmotors, wobei das Verfahren folgendes aufweist:
Messung eines Zylinderdruckes in mindestens einer Brennkammer für mindestens einen Zylinder an einem vorbestimmten Punkt in einem Verbrennungszyklus;
Eingabe des gemessenen Zylinderdruckes für mindestens einen Zylinder in ein neurales Netzwerk;
Bestimmung aus der Ausgangsgröße des neuralen Netzwerkes, ob ein vorbestimmter Zustand in mindestens einem Zylinder existiert; und
Einstellung einer Komponente von mindestens einem der Zylinder, wenn ein abnormer Zustand detektiert worden ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der vorbestimmte Punkt in einem Verbrennungszyklus während mindestens einem Hub eines Verbrennungszyklus auftritt.
6. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der abnorme Zustand eine Zylinderfehlzündung aufweist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Bestimmungsschritt weiter Folgendes aufweist:
Bewertung von mindestens zwei Druckausgangsgrößen aus einem Zylinder;
Vergleich der Ausgangsgröße mit einem vorherigen Ausgangsdruck aus dem Zylinder; und
Bestimmung, daß der Zylinder fehlgezündet hat, wenn:
die Differenz zwischen dem gegenwärtigen Ausgangswert und einem vorherigen Ausgangswert eine vorbestimmte Beziehung hat; und
der Motor im wesentlichen in einem konstanten Betriebszustand geblieben ist.
8. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der abnorme Zustand ein Verbrennungsklopfen aufweist.
9. Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem maschinenlesbare Anweisungen gespeichert sind, wobei die Ausführung der Anweisungen geeignet ist, um ein Verfahren zur Bestimmung eines vorbestimmten Betriebszustandes eines Verbrennungsmotors gemäß des Verfahrens von einem der Ansprüche 1 bis 8 geeignet ist.
10. Vorrichtung zur Bestimmung eines vorbestimmten Betriebszustandes eines Verbrennungsmotors, wobei die Vorrichtung Folgendes aufweist:
ein Modul, welches konfiguriert ist, um einen Zylinderdruck in mindestens einer Brennkammer an einem vorbestimmten Punkt in einem Verbrennungszyklus zu messen;
ein Modul, welches konfiguriert ist, um mindestens einen ersten Wert für einen Betriebsparameter des Motors unter Verwendung des gemessenen Zylinderdruckes zu bestimmen;
ein Modul, welches konfiguriert ist, um einen zweiten Wert für den Betriebsparameter des Motors unter Verwendung von Daten zu bestimmen, die von mindestens einem Motorsensor empfangen wurden; und
ein Modul, welches konfiguriert ist, ein vorbestimmtes Signal zu erzeugen, wenn eine Differenz zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert eine vorbestimmte Beziehung hat.
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