DE10123022A1

DE10123022A1 - Drehzahlerfassungsverfahren

Info

Publication number: DE10123022A1
Application number: DE10123022A
Authority: DE
Inventors: Rainer Hirn
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2001-05-11
Filing date: 2001-05-11
Publication date: 2002-11-21
Anticipated expiration: 2021-05-12
Also published as: EP1390762A2; WO2002093178A3; US20040102913A1; WO2002093178A2; US6873930B2; DE10123022B4

Abstract

Zum Erfassen der Drehzahl bei einer Brennkraftmaschine (1) wird ein mit der Kurbelwelle (3) verbundenes Sektorenrad (4) abgetastet und die Zeitdauer des Durchlaufes eines Sektors bestimmter Größe bestimmt. Dann werden aus einem Kennfeld betriebsparameterabhängige Korrekturfaktoren entnommen, um die gemessene Zeitdauer hinsichtlich im Betrieb der Brennkraftmaschine (1) auftretender, periodischer Drehzahlschwingungen zu korrigieren.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Drehzahler fassung bei einer Brennkraftmaschine, bei dem ein mit einer Kurbelwelle verbundenes Sektorenrad abgetastet und der Durch lauf eines Sektors bestimmter Größe bestimmt wird.

Derartige Drehzahlerfassungsverfahren sind bei Brennkraftma schinen üblich, wobei normalerweise ein an einer Kurbelwelle angebrachtes Zahnrad mit 60 Zähnen abgetastet wird. Da infol ge des Arbeitsprinzips einer Brennkraftmaschine mit ständigem Wechsel zwischen Kompression und Expansion des Arbeitsgases die Drehzahl nicht konstant ist, sondern von einer periodi schen Schwingung überlagert ist, die von unterschiedlichen Momentenbeiträgen der einzelnen Zylinder herrührt, wird bei der Drehzahlerfassung üblicherweise eine Mittelung dahinge hend vorgenommen, dass mehrere Zähne des Zahnrades abgetastet werden. In der Regel erfolgt die Abtastung über einen Dreh winkel der Kurbelwelle von 180°, was einem Arbeitstakt einer Vierzylinder-Viertakt-Brennkraftmaschine entspricht. Die Ab tastung kürzerer Sektoren bzw. einer geringeren Anzahl an Zähnen würde aufgrund der erwähnten periodischen Schwingungen einen zu großen Fehler mit sich bringen.

Die durch die Abtastung mehrerer Zähne bewirkte Mittelung kann bei modernen Steuergeräten einer Brennkraftmaschine hin sichtlich des Mittelungsbeginnes oder des Mittelungsendes na hezu beliebig gewählt werden. Vor gewissen Steuerungsaktio nen, beispielsweise der Einspritzung von Kraftstoff in Zylin dern einer Dieselbrennkraftmaschine, wird die Mittelung zeit lich so begonnen, dass sie unmittelbar vor der geplanten Ak tion abgeschlossen ist, um dann eine möglichst aktuelle Dreh zahlinformation zu haben. Aufgrund der Mittelung über einen Arbeitstakt, d. h. einen Drehwinkel der Kurbelwelle von 180°, ist die Drehzahlinformation jedoch dennoch nicht so aktuell, wie es eigentlich gewünscht wäre, da eine Mittelung nachrich tentechnisch gesehen ein Filter mit Tiefpassfunktion dar stellt.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Drehzahlerfassung bei einer Brennkraftmaschine anzugeben, bei dem die momentane Drehzahl der Brennkraftmaschine ohne zeitliche Verzögerung exakt bestimmt werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einem eingangs geschilderten Verfahren zur Drehzahlerfassung bei einer Brennkraftmaschine dadurch gelöst, dass aus einem Kennfeld betriebsparameterabhängige Korrekturfaktoren entnommen werden und, um eine Bereinigung hinsichtlich im Betrieb der Brennkraftmaschine auftretender, periodischer Drehzahlschwingungen zu erreichen, die Zeitdau er, die der Durchlauf eines Sektors bestimmter Größe eines mit der Kurbelwelle verbundenen Sektorenrades dauert, unter Verwendung dieser Korrekturfaktoren korrigiert wird, so dass eine korrigierte Zeitdauer erhalten wird.

Das erfindungsgemäße Konzept berücksichtigt also Informatio nen über die periodischen Drehzahlschwingungen, die zu einer Verfälschung der Drehzahlmessung führen würden, wenn auf die zeitraubende Mittelung verzichtet wird. Durch die Auswertung dieser, in Form von betriebsparameterabhängigen, in einem Kennfeld hinterlegten Korrekturfaktoren, kann die Information über die Schwingung ausgewertet werden. Dies erlaubt eine Verkürzung der Erfassungsdauer oder sogar einen völligen Ver zicht auf die Mittelung.

Dadurch ist nicht nur eine völlige Freiheit zur Wahl des Zeitpunkts der Drehzahlerfassung gegeben - sie ist bei jeder Kurbelwinkelposition möglich -, sondern auch eine weitere Zielvorgabe für eine optimale Drehzahlerfassung ist erreicht: es kann eine kurze Messdauer realisiert werden. Insbesondere kann die Messdauer deutlich kürzer sein, als die bisherige Mittelungsdauer von einem Arbeitstakt.

Somit wird durch das erfindungsgemäße Drehzahlerfassungsver fahren eine sehr viel aktuellere Drehzahlinformation bereit gestellt, als es im dem Stand der Technik möglich war. Dies wirkt sich beim Betrieb einer Brennkraftmaschine besonders vorteilhaft aus, da der Steuerung der Brennkraftmaschine eine exaktere Kenntnis der Drehzahl zugrundegelegt werden kann, was Verbesserungen bei Betriebskomfort, -sicherheit und Kraftstoffökonomie sowie Schadstoffarmut einer Brennkraftma schine ermöglicht.

Die Korrekturfaktoren sind so zu wählen, dass sie Informatio nen über die periodischen Drehzahlschwingungen geben, die im Betrieb der Brennkraftmaschine unvermeidlicherweise auftre ten. Besonders bevorzugt ist es dabei, dass die Korrekturfak toren als Entwicklungskoeffizienten für eine Synthese bzw. Modellierung der Drehzahlschwingungen gewählt werden. Solche Korrekturfaktoren erlauben dann betriebspunktabhängig die Drehzahlschwingungen zu modellieren, so dass diese bei der Drehzahlerfassung dann sehr genau und betriebsparameterabhän gig berücksichtigt werden können.

Natürlich können den Korrekturfaktoren beliebige Arten der Reihenentwicklung einer Schwingungsfunktion zugrundegelegt werden. In der einfachsten Version einer Fourier-Synthese der Schwingung wird beispielsweise eine einfache Sinusschwingung zugrundegelegt. Die Korrekturfaktoren beschränken sich dann auf zwei Werte, Amplitude und Phase der Sinusschwingung. Auch in diesem Fall sind sie betriebsparameterabhängig in einem Kennfeld hinterlegt. Aufwendigere Fourier-Synthesen der Schwingungsfunktion verwenden dann entsprechend höhere Anzah len an Koeffizienten, wobei diesem höheren Speicheraufwand auch eine höhere Genauigkeit bei der Drehzahlerfassung gege nübersteht. Optional ist beispielsweise auch eine Taylor- Entwicklung möglich.

Wie die Korrekturfaktoren zur Bereinigung der Störung durch die periodischen Drehzahlschwingungen verwendet werden, ist für die Erfindung prinzipiell nicht ausschlaggebend. Beson ders zweckmäßig ist es jedoch, aus den Korrekturfaktoren ei nen Zeitdauerfehler zu berechnen, mit dem die Zeitdauer, die der Durchlauf des Sektors bestimmter Größe des Sektorenrades dauert, korrigiert wird, um Fehler durch die periodische Drehzahlschwingung zu bereinigen. Dieses Berechnungsverfahren ist besonders einfach auszuführen sowie rechenzeitschonend, da lediglich ein Zeitdauerfehler bestimmt und danach additiv mit der gemessenen Zeitdauer verrechnet werden muss.

Besonders zweckmäßig ist es dabei, zur Berechnung des Zeit dauerfehlers aus den Korrekturfaktoren die aktuell vorliegen de Drehzahlschwingung in einer Modellbildung zu berechnen. Dies kann auf erwähnte Weise durch Synthese der periodischen Drehzahlschwingung erfolgen. Hierzu bieten sich, wie erwähnt, die Synthese der Schwingung durch eine Taylor- oder Fourier- Entwicklung an. Im einfachsten Fall genügt die Modellierung der periodischen Schwingung durch eine Sinusschwingung. Diese Modellierung ist, wie bereits erwähnt, besonders speicher schonend.

Die Genauigkeit, mit der die Drehzahl erfasst werden kann, hängt im wesentlichen von zwei Parametern ab: zum einen von der Exaktheit, mit der die Schwingung modelliert werden kann, zum anderen von der Genauigkeit, mit der die Drehzahl gemes sen werden kann, mithin von der Größe des Sektors, über den das Sektorenrad abgetastet wird. Das erfindungsgemäße Konzept ermöglicht es nun, die Drehzahlerfassung abhängig von der er forderlichen Genauigkeit zu wählen. Wird eine hochexakte Drehzahlerfassung benötigt, kann zum einen der Rechenaufwand zur Simulation der periodischen Schwingung gesteigert werden, zum anderen kann man einen größeren Sektor des Sektorenrades abtasten. Bei einem niedrigeren Genauigkeitsbedürfnis kann der Rechenaufwand gesenkt und/oder die abgetastete Sektoren größe verkleinert werden.

Das Verfahren ist für Brennkraftmaschinen herkömmlicher Bau art besonders vorteilhaft, wenn ein mit der Kurbelwelle dreh fest verbundenes Zahnrad als Sektorenrad eingesetzt wird.

Die Erzeugung der Korrekturfaktoren kann durch theoretische Modellüberlegungen hinsichtlich der für die Anwendung vorge sehenen Brennkraftmaschine gewonnen werden. Besonders zu be vorzugen ist es jedoch, die Korrekturfaktoren als Funktion von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine aus Vermessun gen der Drehzahlschwingungen auf einem Prüfstand zu erhalten.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beispielhaft noch näher erläutert. In der Zeich nung zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Brennkraftmaschine, deren Drehzahl erfasst werden soll,

Fig. 2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Drehzahler fassung,

die Fig. 3 und 4 Abwandlungen des Flussdiagramms der Fig. 2 und

Fig. 5 eine Zeitreihe für die Durchlaufzeiten verschiede ner Sektoren eines Sektorenrades.

In Fig. 1 ist schematisch eine Brennkraftmaschine 1 gezeigt, deren Betrieb über nicht näher bezeichnete Leitungen von ei nem Steuergerät 2 gesteuert wird. Dieses Steuergerät 2 misst Betriebsparameter der Brennkraftmaschine, beispielsweise die Drehzahl N sowie die Last, und teilt der Brennkraftmaschine 1, bei der es sich im schematisch dargestellten Beispiel um eine Vierzylinderbrennkraftmaschine handelt, eine Kraftstoff menge zu, die zur Abwicklung der gegenwärtigen Betriebsphase erforderlich ist.

Die Brennkraftmaschine 1 versetzt eine Kurbelwelle 3 in Dre hung, die ein (nicht dargestelltes) Kraftfahrzeug antreibt. Auf der Kurbelwelle 3 sitzt ein Zahnrad 4, das 60 Zähne auf weist. Die Zähne des Zahnrades 4 werden von einer Gabellicht schranke 5 abgefühlt, die ihre Signale über nicht bezeichnete Leitungen an das Steuergerät 2 leitet.

Aus den Signalen der Gabellichtschranke 5 bestimmt das Steu ergerät 2 die für die Steuerung des Betriebes der Brennkraft maschine 1 erforderliche Information über die Drehzahl N. Da zu greift das Steuergerät 2 in einem noch zu beschreibenden Verfahren zur Drehzahlerfassung auf einen Kennfeldspeicher 6 zu, in dem Werte betriebsparameterabhängig in einem Kennfeld abgelegt sind.

Für den Betrieb der Brennkraftmaschine 1 benötigt das Steuer gerät 2 Kenntnis der aktuellen Drehzahl N der Kurbelwelle 3. Diese Information ist beispielsweise bei der Bestimmung der in die Zylinder der Brennkraftmaschine 1, die im vorliegenden Beispiel eine Dieselbrennkraftmaschine ist, einzuspritzende Kraftstoffmasse sowie der Wahl des Einspritzzeitpunktes er forderlich. Die Drehzahlinformation sollte deshalb für einen optimalen Betrieb der Brennkraftmaschine zu dem Zeitpunkt, zu dem die Einspritzung durchgeführt wird, möglichst aktuell sein und der tatsächlichen Drehzahl N der Kurbelwelle 3 ent sprechen. Der Drehung der Kurbelwelle 3 sind periodische Drehzahlschwingungen überlagert, die von unterschiedlichen Momentenbeiträgen der einzelnen Zylinder der Vierzylinder- Brennkraftmaschine 1 herrühren.

Fig. 5 zeigt für den Modellfall einer gleichbleibenden mitt leren Drehzahl N den Einfluss dieser periodischen Schwingung. In Fig. 5 ist die Zeitdauer T, die der Durchlauf jedes Zahnes des Zahnrades 4 an der Gabellichtschranke 5 benötigt, über der Zahnnummer i aufgetragen. Wie zu sehen ist, schwankt die Zeitdauer T_i der individuellen Zähne periodisch. Im dargestellten Beispiel handelt es sich dabei um eine Sinusschwin gung, die mit einer Amplitude A um die mittlere Zeitdauer T herum verläuft. Diese Sinusschwingung weist weiter eine Phase phi bezüglich des als Normierung herangezogenen Zahnes mit der Nummer 0 bzw. des Zahnes mit der Nummer 30 auf. Misst man nun am Messpunkt 7 oder 8 die Zeitdauer T_i für den Zahn mit der Nummer i = 38 oder i = 39, so ergibt sich eine aufgrund der periodischen Schwingung verlängerte Zeitdauer, die eine falsche Drehzahl N ergäbe.

Zur Korrektur dieses Einflusses führt das Steuergerät 2 das in Fig. 2 dargestellte Verfahren zur Bestimmung der Drehzahl durch.

Mit einem Schritt S0 wird das Verfahren gestartet. Als nächs tes werden in einem Schritt S1 vom Steuergerät 2 Betriebspa rameter der Brennkraftmaschine 1 erfasst. Es handelt sich da bei um diejenigen Betriebsparameter, über denen später bei der Korrektur verwendete Korrekturfaktoren in einem im Kenn feldspeicher 6 abgelegten Kennfeld aufgespannt sind. Als nächstes werden in einem Schritt S2 diese Korrekturfaktoren aus dem Kennfeldspeicher 6 in das Steuergerät 2 eingelesen. Dann wird in einem Schritt S3 der Durchlauf des Zahnes am Zahnrades 4 an der Gabellichtschranke 5 gemessen. Die dadurch bestimmte Zeitdauer T_i stellt die Durchlaufzeit des i-ten Zahnes des Zahnrades 4 dar.

Bei einer völlig gleichförmigen Drehung der Kurbelwelle 3 wä re diese Zeitdauer T_i für alle Zähne des Zahnrades 4 kon stant, so sich die Drehzahl nicht ändern würde. Selbst bei absolut gleichbleibender mittlerer Drehzahl der Kurbelwelle 3 der Brennkraftmaschine 1 treten die vorerwähnten periodischen Schwankungen auf, weshalb die Zeitdauern T_i für die unter schiedlichen Zahnnummern i variieren.

In einem Schritt S4 wird ein durch die periodische Schwankung aktuell verursachte Zeitdauerfehler dT_i berechnet. Diese Be rechnung kann auf verschiedene Weisen erfolgen.

In einer ersten Berechnungsvariante wird die periodische Drehzahlschwingung durch eine Fourier-Synthese simuliert. Diese Simulation erfordert es, dass die Brennkraftmaschine zuvor auf einem Prüfstand vermessen wurde, wobei der periodi sche Verlauf der Schwingung für möglichst viele Betriebspara meter bzw. Betriebspunkte der Brennkraftmaschine aufgezeich net und in entsprechende Synthesekoeffizienten umgesetzt wird. Diese werden dann im Kennfeldspeicher 6 abgelegt. In einer einfachsten Annäherung an die periodische Schwingung kann die Fourier-Reihe der Schwingungssynthese nach dem ers ten Koeffizienten abgebrochen werden. Der Zeitdauerfehler dT_i ist dann durch folgende Gleichung gegeben:

dT_i = A.sin 2 π(i + phi)/30, (1)

wobei A die Amplitude der Schwingung und phi die Phase dar stellen, die jeweils im Kennfeldspeicher 6 über den gewählten Betriebsparametern, beispielsweise Last und mittlerer Dreh zahl aufgespannt sind. Natürlich können auch andere Betriebs parameterabhängigkeiten gewählt werden, beispielsweise Öltem peratur der Brennkraftmaschine, eingespritzte Kraftstoffmenge usw.

Diese Variante, bei der die periodische Schwingung der Dreh zahl durch eine Sinusschwingung angenähert wird, ist in Fig. 3 dargestellt, die die alternative Ausgestaltung des Schrit tes S3 der Fig. 2 zeigt.

In einer zweiten Berechnungsvariante wird die Schwingung nicht durch eine Fourier-Reihe synthetisiert, sondern durch eine Taylor-Reihe. Auch hier kann die Güte der Modellierung durch die Wahl der entsprechenden Näherungsglieder mithin der entsprechenden Anzahl an Entwicklungskoeffizienten gesteuert werden.

In einem Schritt S5 wird der derart bestimmte Zeitdauerfehler dT_i von der gemessenen Zeitdauer T_i abgezogen und gemäß fol gender Gleichung zur Berechnung der Drehzahl N verwendet:

N = 1/(T_i - dT_i). (2)

Optional ist es möglich, die Genauigkeit der Drehzahlerfas sung nicht nur durch den Rechenaufwand, der bei der Modellie rung der periodischen Schwingung betrieben wird, zu beein flussen, sondern auch durch eine Mittelung über mehrere Mess punkte 7, 8 bzw. mehrere Zahnnummern i bei der Messung der Zeitdauer T_i. Dieser Sachverhalt ist in Fig. 4 blockschaltar tig näher dargestellt, in der Schritte 53a und 53b gezeigt sind, die den Schritt S3 der Fig. 2 ersetzen. Dabei wird zu erst eine Genauigkeit festgelegt, mit der die Drehzahl er fasst werden soll. Anschließend wird in Schritt S3b die Größe des Sektors des Sektorenrades, also die Zahl an Zähnen des Zahnrades, die abgetastet werden soll, festgelegt, wodurch die Länge der Mittelung bestimmt ist. Natürlich ist für die sen Fall die Gleichung (1), die von der Messung der Durch laufzeit T_i eines einzelnen Zahnes ausgeht, entsprechend folgt zu modifizieren.

Claims

1. Verfahren zur Drehzahlerfassung bei einer Brennkraftma schine, bei dem

a) ein mit einer Kurbelwelle verbundenes Sektorenrad abgetas tet wird,
b) eine Zeitdauer bestimmt wird, die der Durchlauf eines Sek tors bestimmter Größe dauert,
c) aus einem Kennfeld betriebsparamenterabhängige Korrektur faktoren entnommen werden und,
d) um eine Bereinigung hinsichtlich im Betrieb der Brenn kraftmaschine auftretender, periodischer Drehzahlschwingungen zu erreichen, die Zeitdauer unter Verwendung dieser Korrek turfaktoren korrigiert wird, so dass eine korrigierte Zeit dauer erhalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die in Schritt c) ent nommenen Korrekturfaktoren Entwicklungskoeffizienten zur Mo dellierung der Drehzahlschwingungen sind.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Korrekturfaktoren Entwicklungskoeffizienten einer Taylor- oder Fourier-Reihe sind.

4. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, bei dem in Schritt d) aus den Korrekturfaktoren ein Zeitdauerfehler be rechnet wird, um den die Zeitdauer durch die periodischen Drehzahlschwingungen verändert wurde.

5. Verfahren nach Anspruch 2 und 4 oder nach Anspruch 3 und 4, bei dem zur Berechnung des Zeitdauerfehlers aus den Kor rekturfaktoren die aktuell vorliegende Drehzahlschwingung mo delliert wird.

6. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die Größe des Sektors in Schritt b) abhängig von der gewünschten Genauigkeit der Drehzahlerfassung gewählt wird.

7. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, bei dem in Schritt a) ein mit der Kurbelwelle drehfest verbundenes Zahn rad als Sektorenrad verwendet wird.

8. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die Korrekturfaktoren als Funktion von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine aus einer Vermessung der Drehzahlschwin gungen auf einem Prüfstand stammen.