AT2172U2 - Verfahren und vorrichtung zur kalibrierung einer drehzahlmessung - Google Patents

Abstract

Zur Kalibrierung einer Drehzahlmessung aus einem an einer Brennkraftmaschine aufgenommenen Signal mit unbekanntem bzw. nur annähernd konstantem Verhältnis zur tatsächlichen Drehzahl wird die für die Ermittlung des erforderlichen Kalibrierparameters benötigte tatsächlich aktuelle Drehzahl aus von der Brennkraftmaschine erzeugten Schallsignalen bei zumindest einer stationären Drehzahl mit Hilfe einer zeitbasierten Kepstrumanalyse bestimmt, womit ohne die Eingabe zusätzlicher Parameter eine genaue Kalibrierung und damit Drehzahlmessung über einen großen Drehzahlbereich möglich wird.

Description

AT 002 172 U2

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung einer Drehzahlmessung an einer Brennkraftmaschine aus einem Signalmerkmal mit unbekanntem bzw. nur annähernd konstantem Verhältnis zur tatsächlichen Drehzahl. Weiters bezieht sich die Erfindung auch auf eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens, mit einer Einheit zur Aufnahme eines Signalmerkmals an der Brennkraftmaschine mit unbekanntem bzw. nur annähernd konstantem Verhältnis zur tatsächlichen Drehzahl, sowie mit einer damit verbundenen Auswerteeinheit zur Bestimmung der tatsächlichen Drehzahl unter Berücksichtigung eines bei stationärer Drehzahl ermittelten Kalibrierparameters .

Zur Bestimmung der Drehzahl einer Brennkraftmaschine wird im allgemeinen ein von dieser erzeugtes Signal mit Hilfe eines entsprechenden Sensors an oder in der Nähe der Brennkraftmaschine aufgenommen und sodann aus einem der Signalmerkmale, vorzugsweise der Periodizität (Frequenz oder Periodendauer) des Signals, die gesuchte Drehzahl bestimmt. Im einfachsten Fall steht das für die Drehzahlermittlung herangezogene Signalmerkmal in einem bekannten und konstanten Verhältnis zur Drehperiode oder Drehzahl der Brennkraftmaschine. Dieses Verhältnis, gegebenenfalls in Abhängigkeit von anderen bekannten Größen, stellt also den für die eigentliche Drehzahlmessung benötigten Kalibrierparameter dar. So ist beispielsweise die Periode der Zündspannung oder des Einspritzdruckes an jeweils einem Zylinder einer Otto-bzw. Dieselbrennkraftmaschine gleich der Zündperiode der Brennkraftmaschine bzw. hat das Verhältnis zur Drehperiode der Kurbelwelle in bekannter Weise den Wert 1 beim 2-Takt-Motor und den Wert 2 beim 4-Takt-Motor.

Es gibt darüber hinaus aber auch vorteilhaft meßbare bzw. aufnehmbare Signale und Signalmerkmale an einer Brennkraftmaschine mit einem unbekannten bzw. nur annähernd konstanten Verhältnis zur Drehperiode bzw. Drehzahl der Brennkraftmaschine. Beispielsweise stellt die Amplitude oder Intensität der 2 AT 002 172 U2 von der Brennkraftmaschine erzeugten akustischen Schwingungen in der umgebenden Luft (Luftschall) oder an Brennkraftmaschinen- bzw. Fahrzeugteilen (Körperschall) ein Maß für die Drehzahl der Brennkraftmaschine dar, wobei allerdings der für die eigentliche Drehzahlbestimmung jeweils erforderliche Kalibrierparameter von vielen Einflußgrößen abhängig und zumeist unbekannt ist. Ein anderes Beispiel ist etwa die Periode oder Frequenz der Restwelligkeit der von der Lichtmaschine der Brennkraftmaschine erzeugten Bordnetz- oder Batteriespannung des von der jeweiligen Brennkraftmschine angetriebenen Fahrzeuges (siehe z.B. DE-OS 26 48 382), die in einem im allgemeinen nicht bekannten und - z.B durch Schlupf des antreibenden Keilriemens verursachten - Veränderungen unterworfenen Verhältnis zur Drehzahl der Brennkraftmaschine steht. Die Verwendung derartiger Meßsignale bzw. Signal-merkmale mit unbekanntem oder nur annähernd konstantem Verhältnis zur Drehzahl der Brennkraftmaschine kann aber äußerst vorteilhaft sein, etwa zur Vereinfachung der Sensoranbringung oder zur Realisierung einer hochdynamischen Drehzahlmessung für die zeitliche Auflösung von raschen Drehzahländerungen, beispielsweise beim Hochlauf während einer Abgasmessung, wenn nur der benötigte Kalibrierparameter bestimmt und - falls erforderlich - nachgeführt werden kann.

Weiters ist beispielsweise ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zur Kalibrierung der Drehzahlmessung aus der Restwelligkeit der Bordnetzspannung eines von der jeweiligen Brennkraftmaschine angetriebenen Fahrzeuges bekanntgeworden. Es wird dabei mit Hilfe einer FFT (Fast-Fourier-Transformation) zur Berechnung eines Frequenzspektrums die signifikante Frequenz einer akustischen Hilfsgröße als Maß für die gesuchte aktuelle Drehzahl und damit auch für den gesuchten Kalibrierparameter bestimmt. Nachteilig dabei ist, daß für die Auswertung des berechneten Frequenzspektrums eine weitere Größe, nämlich die Zylinderanzahl, benötigt wird und daher bei der Drehzahlmessung bzw. -auswertung vom Bedienpersonal ein- 3 AT 002 172 U2 gegeben werden muß. Außerdem funktioniert eine derartige Kalibrierung nur im unteren Leerlauf, was zur Folge hat, daß bereits geringe Ungenauigkeiten des bei den relativ niedrigen Drehzahlen bestimmten Kalibrierparameters zu relativ großen Meßfehlern bei höheren Drehzahlen, beispielsweise im oberen Leerlaufbereich eines Ottomotors, oder bei der Abregeldrehzahl eines Dieselmotors, führen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß die beschriebenen Nachteile von entsprechenden bekannten Verfahren und Vorrichtungen vermieden werden und daß insbesonders auf einfache und signifikante Weise eine Kalibrierung der Drehzahlmessung erfolgen kann.

Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die für die Ermittlung des gesuchten Kalibrierparameters erforderliche tatsächliche aktuelle Drehzahl aus von der Brennkraftmaschine erzeugten Schall Signalen bei zumindest einer stationären Drehzahl mit Hilfe einer zeitbasierten Kepstrumanalyse ermittelt wird. Die entsprechende Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß die Auswerteeinheit zur Ermittlung des Kalibrierparameters mit einer Schallaufnahmeeinrichtung an bzw. in der Nähe der Brennkraftmaschine in Verbindung steht und daß in der Auswerteeinheit eine Einheit zur Durchführung einer zeitbasierten Kepstrumanalyse an den aufgenommenen Schallsignalen zur Ermittlung der aktuellen tatsächlichen Drehzahl vorgesehen ist.

Durch die beschriebenen erfindungsgemäßen Maßnahmen gewinnt man vorerst den Vorteil, daß die Drehzahlmessung bzw. Kalibrierung völlig unabhängig von der Zylinderanzahl der jeweils geprüften Brennkraftmaschine ist, womit weder im Meßablauf noch in der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens irgendwelche Vorkehrungen zur Eingabe der Zylinderzahl erforderlich sind. Weiters ermöglicht die erfindungsgemäße Ausgestaltung eine hohe Meßgenauigkeit im 4 AT 002 172 U2 gesamten Drehzahlbereich.

Unter dem Kepstrum versteht man definitionsgemäß (vgl. z.B.: B.C. Günther, K.-H. Hansen, I. Veit: Technische Akustik. Kontakt + Studium, Band 18, Technische Akademie Esslingen, Herausgeber: W.J. Bartz. Lexika-Verlage 7031 Grafenau 1/Württemberg, 1978) die quadrierte Fourier-Rücktransformierte des logarithmierten Leistungsspektrums IF-1 (lg|F(u) |2) |2.

Man gelangt dazu, indem man das Signal u einer ersten Fouriertransformation F unterwirft und das Betragsquadratspektrum |F(u)|2 bildet, dieses logarithmiert und in einer zweiten Fouriertransformation die inverse Fouriertransformierte F"1 bildet, deren Quadrat das Kepstrum ergibt. Wenn die Funktionsvariable des Signals u die Zeit ist, so hat die Funktionsvariable des nach der ersten Fouriertransformation erhaltenen Spektrums die Dimension einer Frequenz, und die Funktionsvariable des Kepstrums wieder die Dimension einer Zeit, die den Kunstnamen Quefrenz trägt. Die Quefrenz gibt die spektrale Periodenzahl pro Frequenzeinheit (Hertz) an.

Es sind auch Varianten des Kepstrums bekannt geworden, bei denen zum Beispiel das Betragsspektrum zu anderen Potenzen als 2 erhoben wird, und/oder bei denen statt des Logarithmierens andere lineare oder nicht lineare Bewertungen der spektralen Komponenten vorgenommen werden, und/oder bei denen die zweite Fouriertransformation vorwärts statt rückwärts durchgeführt wird und/oder der Ergebnisbetrag zu anderen Potenzen als 2 erhoben wird. Auch solche Varianten der Kepstrum-Analyse sollen hier unter der gemeinsamen Bezeichnung Kepstrum-Analyse gemeint sein.

Die Anwendung der zeitbasierten Kepstrum-Analyse zur Grundfrequenz- oder Drehzahl best immung ist an sich bekannt. Beispielsweise wird in der oben genannten Literaturstelle auf Seite 166, Bild 8.3, anhand eines zeitbasierten Beispiels auch das Besondere der Kepstralanalyse gezeigt, daß nämlich die Grundschwingung des untersuchten Signals im Kepstrum als scharf ausgebildete 5 AT 002 172 U2

Spitze bei der Periodendauer der Grundschwingung in Erscheinung tritt.

In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß die Ermittlung (des gesuchten Kalibrierparameters bzw. der dazu erforderlichen tatsächlichen aktuellen Drehzahl) bei zumindest einer relativ hohen stationären Drehzahl erfolgt, was die Auswirkung allfälliger Ungenauigkeiten bei der Ermittlung des Kalibrierparameters auf die Bestimmung höherer Drehzahlen verringert. Der Kalibrierparameter kann nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung unter fortlaufender Ermittlung der tatsächlichen Drehzahl auch fortlaufend nachgeführt werden, was auf einfache Weise genaue Messungen der Drehzahl über große Drehzahl bereiche ermöglicht.

Die Erfindung wird im folgenden noch an Hand des in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung näher beschrieben.

Es bedeuten: (1) das Signal, bzw. den Anschluß, der elektrischen Bordnetzspannung, das in der Einheit (2) geeignet gefiltert und verarbeitet wird, sodaß am Ausgang der Einheit (2) ein Signal für die aktuelle Periodendauer oder Frequenz der überlagerten Restwelligkeit der Bordnetzspannung erhalten wird. (3) ist das Schallsignal, bzw. ein Mikrofon oder Körperschal laufnehmer. In der Einheit (4) wird das Signal geeignet gefiltert, digital erfaßt und der zeitbasierten Kepstralanalyse unterworfen, sodaß am Ausgang der Einheit (4) Signale für die "wahre Drehzahl" und ein zugehöriges Sicherheitsmaß, das die Glaubwürdigkeit dieser Drehzahlangabe angibt, zur Verfügung stehen. In der Einheit (5) werden laufend die Ausgangssignale der Einheit (2) und (4) beobachtet und die Eignung des momentanen Drehzustandes (instationär oder ausreichend stationär, hohe Sicherheit der "wahren Drehzahl") für eine Kalibrierung bewertet. Sobald ein geeigneter Zustand gegeben ist, wird ein neuer und damit aktueller Kalibrierfaktor ermittelt und der Einheit (6) zur Verfügung gestellt. Die Einheit (6) skaliert laufend das Ergebnis der Einheit (2) mit Hilfe des von 6 AT 002 172 U2 der Einheit (5) gelieferten Kalibrierfaktors und erzeugt so das gewünschte Drehzahlsignal (7). 7

Claims (4)

1. AT 002 172 U2 Ansprüche: 1. Verfahren zur Kalibrierung einer Drehzahlmessung an einer Brennkraftmaschine aus einem Signalmerkmal mit unbekanntem bzw. nur annähernd konstantem Verhältnis zur tatsächlichen Drehzahl, dadurch gekennzeichnet , daß die für die Ermittlung des gesuchten Kalibrierparameters erforderliche tatsächliche aktuelle Drehzahl aus von der Brennkraftmaschine erzeugten Schallsignalen bei zumindest einer stationären Drehzahl mit Hilfe einer zeitbasierten Kepstrumanalyse ermittelt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung bei zumindest einer relativ hohen stationären Drehzahl erfolgt.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kalibrierparameter unter fortlaufender Ermittlung der tatsächlichen Drehzahl fortlaufend nachgeführt wird.
4. 4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, mit einer Einheit (1,2) zur Aufnahme eines Signalmerkmals an der Brennkraftmaschine mit unbekanntem bzw. nur annähernd konstantem Verhältnis zur tatsächlichen Drehzahl, sowie mit einer damit verbundenen Auswerteeinheit (6) zur Bestimmung der tatsächlichen Drehzahl unter Berücksichtigung eines bei stationärer Drehzahl ermittelten Kalibrierparameters, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit (6) zur Ermittlung des Kalibierparameters mit einer Schallauf-nahmeeinrichtung (3) an bzw. in der Nähe der Brennkraftmaschine in Verbindung steht und daß in bzw. an der Auswerteeinheit (6) eine Einheit (4) zur Durchführung einer zeitbasierten Kepstrumanalyse an den aufgenommenen Schallsignalen zur Ermittlung der aktuellen tatsächlichen Drehzahl vorgesehen ist. 8