DE10143954C1 - Drehzahlerfassungsverfahren - Google Patents

Abstract

Zur Bestimmung der Drehzahl einer Brennkraftmaschine (1) wird ein von der Brennkraftmaschine (1) angetriebenes Sektorenrad (4) abgetastet, ein Durchlauf eines bestimmten Segmentes des Sektorenrades erfasst und aus der Zeitdauer dieses Durchlaufs ein Drehzahlwert bestimmt, wiederholt die Dauer des Durchlaufs eines bestimmten Teilsegmentes gemessen und eine relative Änderung zwischen zwei aufeinaderfolgenden Teilsegment-Durchläufen ermittelt und damit der Drehzahlwert korrigiert.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Drehzahler­ fassung einer Brennkraftmaschine, bei dem ein mit einer Kur­ belwelle verbundenes Sektorenrad abgetastet wird und die Zeitdauer eines Durchlaufs eines Segmentes bestimmter Größe des Sektorenrades bestimmt wird, um einen Drehzahlwert zu er­ mitteln.

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 insbesondere von unter­ schiedlichen Momentenbeiträgen einzelner Zylinder einer Mehr­ zylinder-Brennkraftmaschine herrühren können, wird bei der Drehzahlerfassung üblicherweise eine zeitliche Mittelung vor­ genommen. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass mehrere Zähne des Zahnrades abgetastet werden. Je größer die Zahl an abgetasteten Zähnen ist, desto freier ist der ermit­ telte Drehzahlwert von Beeinflussungen durch die periodischen Schwingungen. Mit der Verkürzung des abgetasteten Sektors steigt die Fehlerbeeinflussung durch diese Schwingungen.

Aus der DE 44 10 127 A1 ist eine Drehzahlmeßvorrichtung zur Bestimmung der Drehzahl eines rotierenden Teiles bekannt, bei der zwei Sensoren radial in einem bestimmten Winkel zueinan­ der angeordnet sind, mit Hilfe derer die Durchlaufzeitdauer eines bestimmten Konturpunktes des Objektes gemessen wird.

Aus dieser Durchlaufzeitdauer wird dann die Drehzahl be­ stimmt.

Die DE 42 15 581 A1 beschreibt ein Verfahren zur Drehzahlbe­ stimmung bei einer Brennkraftmaschine, bei dem wiederholt ein Drehzahlwert als Durchlaufdauer eines bestimmten Inkrementes in einer definierten Lage einer Kurbel- oder Nockenwellen be­ stimmt wird. Zur Korrektur dieses Drehzahlwertes wird zusätz­ lich ein Drehzahlgradient ermittelt, indem eine Differenz zweier zusätzlicher Inkrementendurchlaufmeßwerte berechnet und zur Korrektur des letzten Drehzahlwertes verwendet wird, wobei die zusätzlichen Inkrementendurchläufe außerhalb des Inkrements liegen, das zur Bestimmung des Drehzahlwertes ver­ wendet wird.

Da die Zeitdauer des Segment-Durchlaufes erst am Ende des Segmentes zur Verfügung steht, ist der Drehzahlwert zwangs­ läufig mit einer gewissen Totzeit behaftet. Darüber hinaus bewirkt die Erfassung eines Segmentes des Sektorenrades eine gewisse Mittelung, was sich auf die Dynamik des Drehzahlsig­ nals negativ auswirkt.

Die Mittelung bei der Drehzahlerfassung stellt eine Tiefpass­ filterung dar. Dadurch gibt der aktuell vorliegende Drehzahl­ wert die tatsächliche Drehzahl der Brennkraftmaschine nicht exakt wieder; schnelle Drehzahländerungen finden erst mit ei­ ner gewissen zeitlichen Verzögerung im Drehzahlwert Nieder­ schlag.

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

Die Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren zur Bestimmung der Drehzahl einer Brennkraftmaschine, bei dem ein von der Brennkraftmaschine angetriebenes Sektorenrad abgetastet wird, ein Durchlauf eines bestimmten Segmentes des Sektorenrades erfasst und die Zeitdauer dieses Segment-Durchlaufes gemessen und daraus ein Drehzahlwert bestimmt wird, wiederholt ein Durchlauf eines bestimmten Teils dieses bestimmten Segmentes erfasst und die Zeitdauer dieses Teilsegment-Durchlaufes ge­ messen wird, ein Verhältnis der Zeitdauern des Teilsegment- Durchlaufes von zwei aufeinanderfolgenden Durchläufen des be­ stimmten Teil des Segmentes ermittelt wird und das Verhältnis verwendet wird, um den Drehzahlwert zu korrigieren.

Das erfindungsgemäße Konzept bestimmt also weiterhin einen Drehzahlwert aus der Zeitdauer des Durchlaufes eines bestimm­ ten Segmentes des Sektorenrades. Die Breite bzw. Größe des Segmentes bedingt dabei eine Mittelung sowie eine Totzeit, wodurch dieser Drehzahlwert noch nicht die gewünschte Aktua­ lität aufweist.

Erfindungsgemäß wird deshalb zusätzlich die Zeitdauer eines Teilsegment-Durchlaufes erfasst und ausgewertet. Aus dem Ver­ hältnis der Zeitdauer von zwei aufeinanderfolgenden Teilseg­ ment-Durchläufen ist eine Korrektur des Drehzahlwertes mög­ lich, wodurch im Vergleich zur konventionellen Tiefpassfilte­ rung oder Mittelwertbildung ein nahezu totzeitfreies Dreh­ zahlsignal erhalten wird. Ein solches Signal wirkt sich auf die dynamischen Eigenschaften verschiedener Regelkreise beim Betrieb einer Brennkraftmaschine (z. B. Regelung der Leerlauf­ drehzahl) vorteilhaft aus.

Dadurch, dass mit dem Verhältnis eine relative Änderung der Zeitdauer des Teilsegment-Durchlaufes zwischen zwei aufeinan­ derfolgenden Durchläufen des bestimmten Teilsegmentes zur Korrektur des Drehzahlwertes verwendet wird, wird eine Infor­ mation über die periodische Wiederkehr segmentspezifischer Schwingungen bei der Bildung des Drehzahlwertes einbezogen. Dadurch ist eines nahezu totzeitfreie Auswertung des Dreh­ zahlsignals möglich.

Bei einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine leisten die einzel­ nen Zylinder durch Fertigungstoleranzen bedingt in der Regel unterschiedliche Momentenbeiträge. Dies kann zwar durch eine entsprechende Zylinderausgleichsregelung teilweise ausgegli­ chen werden, jedoch führt die Drehzahl der Brennkraftmaschine auch dann eine periodische Schwingung aus, die durch die un­ terschiedlich momentenliefernden Arbeitsspiele der einzelnen Zylinder bedingt sind. Dabei kann man annehmen, dass eine sich ausbildende Profilform des Drehzahlverlaufes im Ver­ gleich zu einem vorangegangenen Segment unverändert bleibt. Die Drehzahlkorrektur im erfindungsgemäßen Verfahren sollte deshalb bei einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine vorzugswei­ se zylinderindividuell ausgebildet sein, indem die Zeitdauer für den Durchlauf verschiedener Teilsegmente bestimmt wird, wobei jedes Teilsegment in einem Arbeitstakt eines anderen Zylinders liegt.

Die Anzahl der verschiedenen Teilsegmente hängt von der Zy­ linderzahl der Brennkraftmaschine ab. Bei einer Vierzylinder- Brennkraftmaschine wird man vier verschiedene Teilsegmente auswählen. Abweichungen in der erwähnten Profilform, die aus Unterschieden zwischen den einzelnen Zylindern resultieren, können somit durch die Erfassungen der Zeitdauern der Durch­ läufe verschiedener Teilsegmente kompensiert werden.

Die Erfassung der relativen Änderung in Form des Verhältnis­ ses ermöglicht es, die Totzeit bei der Drehzahlwertbestimmung zu vermeiden. Die Verknüpfung der relativen Änderung mit dem Drehzahlwert, um einen entsprechenden korrigierten Drehzahl­ wert zu erhalten, kann dabei auf viele geeignete Arten durch­ geführt werden. Beispielsweise ist es möglich, die relative Änderung in einen additiven Korrekturfaktor umzusetzen, bei­ spielsweise mittels eines Kennfeldes. Es hat sich jedoch ü­ berraschenderweise herausgestellt, dass die relative Änderung auf einfache Weise multiplikativ mit dem Drehzahlwert ver­ knüpft werden kann, um die geeignete Korrektur zu bewirken.

Zur erfindungsgemäßen Korrektur wird die Änderung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Durchläufen eines bestimmten Teil­ segmentes verwendet. Es zeigte sich jedoch weiter, dass auch die Änderung des Drehzahlwertes selbst gewisse kurzperiodi­ sche Einflüsse wiedergibt. Es ist deshalb zu bevorzugen, ein Verfahren einzusetzen, bei dem wiederholt die Zeitdauer des Segment-Durchlaufes erfasst und aus zwei aufeinanderfolgend ermittelten Drehzahlwerten ein Drehzahlwert-Verhältnis gebil­ det wird, dann zylinderindividuell die relative Änderung er­ mittelt wird, und ein zylinderindividueller Korrekturfaktor berechnet wird, in dem die relative Änderung durch das Dreh­ zahlwert-Verhältnis dividiert wird. Dieser zylinderindividu­ elle Korrekturfaktor kann nun multiplikativ mit dem Drehzahl­ wert verknüpft werden.

Diese Weiterbildung berücksichtigt vorteilhafterweise den zeitlichen Verlauf des Drehzahlwertes, wodurch eine höhere Stabilität des Verfahrens erreicht wird. Der Korrekturfaktor wird zylinderindividuell ermittelt, d. h. jeweils für einen Durchlauf eines Teilsegments, das im Arbeitstakt eines ent­ sprechenden Zylinders liegt.

Die Stabilität kann weiter verbessert werden, indem der zy­ linderindividuelle Korrekturfaktor tiefpassgefiltert wird. Zugleich wird dadurch eine gewisse Lernfunktion bewirkt, da die Tiefpassfilterung auch in vorangegangenen Durchführungen des Verfahrens ermittelte Werte der zylinderindividuellen Korrekturfaktoren berücksichtigt.

Optional oder zusätzlich kann dies auch dadurch erreicht wer­ den, indem die relative Änderung selbst tiefpassgefiltert wird.

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

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

Fig. 2 eine Zeitreihe des Drehzahlverlaufs einer Brennkraft­ maschine und

Fig. 3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Drehzahler­ fassung.

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 ermit­ telt Betriebsparameter der Brennkraftmaschine, beispielsweise die Drehzahl N sowie die Last, und teilt der Brennkraftma­ schine 1, bei der es sich im schematisch dargestellten Bei­ spiel um eine Vierzylinder-Brennkraftmaschine handelt, eine Kraftstoffmenge zu, die zur Abwicklung des Betriebs erforder­ lich ist.

Die Brennkraftmaschine 1 versetzt eine Kurbelwelle 3 in Dre­ hung, die ein (nicht dargestelltes) Kraftfahrzeug antreibt. Auf der Kurbelwelle 3 sitzt ein Sektorenrad 4, das 60 Zähne aufweist. Die Zähne des Sektorenrades 4 werden von einem In­ duktiv- oder Hall-Sensor 5 abgefühlt, der seine Signale über nicht bezeichnete Leitungen an das Steuergerät 2 leitet.

Aus den Signalen des Sensors 5 bestimmt das Steuergerät 2 die für die Steuerung des Betriebes der Brennkraftmaschine 1 er­ forderliche Information über die Drehzahl N. Dazu greift das Steuergerät 2 in einem noch zu beschreibenden Verfahren zur Drehzahlerfassung auf ein Korrekturmodul 6 zu, das bei der Bestimmung der Drehzahl eine noch zu erläuternde Korrektur ausführt. Dabei kann das Korrekturmodul 6 auch als Software­ modul für einen im Steuergerät 2 befindlichen Mikroprozessor ausgebildet sein.

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 Drehzahl­ schwingungen überlagert, die von unterschiedlichen Momenten­ beiträgen der einzelnen Zylinder der Vierzylinder- Brennkraftmaschine 1 herrühren.

Diese Schwankungen sind in Fig. 2 gut zu erkennen, in der die Drehzahl N über der Zeit t als Drehzahlverlauf 7 eingetragen ist. Weiter ist die mittlere Drehzahl 10 als dünne Linie in den Graphen der Fig. 2 eingezeichnet.

Während eines Segmentes des Sektorenrades 4, dessen Breite in Fig. 2 mit 8 eingezeichnet ist, schwankt ersichtlich die Drehzahl. Dies führt dazu, dass während eines Teilsegmentes, dessen Teilsegmentbreite in Fig. 2 mit 9 veranschaulicht ist, eine Drehzahl N vorliegt, die nicht der mittleren Drehzahl entspricht.

Um nun die Drehzahl genau zu bestimmen, wird die Durchlauf­ zeit des Segmentes mit der Segmentbreite 8 erfasst, indem die Zeit gemessen wird, die der Durchlauf der entsprechenden Zäh­ ne des Segmentes 4 an der Gabellichtschranke 5 dauert, gemes­ sen wird. Wird dabei der Durchlauf aller 60 Zähne erfasst, stellt die ermittelte Durchlaufzeit direkt den Kehrwert der Drehfrequenz der Kurbelwelle 3 dar. Im vorliegenden Fall wird jedoch davon ausgegangen, dass das Segment, dessen Durchlauf­ zeit bestimmt wird, 30 Zähne umfasst. Die somit gemessene Durchlaufzeit T30_n müsste deshalb mit 2 multipliziert wer­ den, bevor durch Kehrwertbildung die Drehfrequenz erhalten werden kann. Im vorliegenden Fall wird jedoch der Einfachheit halber als Drehzahlwert direkt der Quotient aus Anzahl der Zähne im Segment (30 bei einer Vierzylinder- Brennkraftmaschine) und Durchlaufzeit des Segmentes verwen­ det.

Zusätzlich zu der derart erfolgenden Bestimmung eines Dreh­ zahlwertes wird der Durchlauf des Teilsegments mit der Teil­ segmentbreite 9 gemessen, das in Fig. 2 jeweils zwischen der dünngestrichelten Linie 11 und der durchgezogenen Line 12 liegt. Die dabei ermittelte Zeitdauer Ta_n eines Teilsegment- Durchlaufs wird, wie nachfolgend noch näher erläutert wird, zur Korrektur des ermittelten Drehzahlwertes herangezogen. Dazu wird die Zeitdauer Ta_n des Teilsegment-Durchlaufs fort­ während erfasst, ebenso wie die Zeitdauer T30_n des Segment- Durchlaufs.

Nachfolgend bezeichnet das den Bezugszeichen angefügte Ele­ ment n - 1, n bzw. n + 1, ob die jeweilige Größe beim aktuellen Durchlauf des Sektorenrades oder beim vorherigen oder späte­ ren Durchlauf bestimmt wurde. Dieses Element stellt also ei­ nen Laufindex dar.

Zur Bestimmung der Drehzahl wird das in Fig. 3 schematisch dargestellte Verfahren durchgeführt. Zuerst wird in einem Schritt S0 die Zeitdauer Ta_n + 1 eines Teilsegment-Durchlaufes ermittelt und abgespeichert. Anschließend wird in einem Schritt S1 die Zeitdauer T30_n eines Segment-Durchlaufs er­ fasst. Anschließend wird in einem Schritt S2 ein Verhältnis r_n bestimmt, das durch den Bruch aus Ta_n + 1 und T30_n nach folgender Gleichung erhalten wird:

Die Schritte S0 bis S2 werden fortlaufend durchgeführt, wobei jeweils die letzten zwei Werte einer jeden Größe in einem Speicher vorgehalten werden.

In einem Schritt S3 wird anschließend ein Korrekturfaktor k nach folgender Gleichung berechnet:

Solche Korrekturfaktoren k werden für mehrere Teilsegmente ermittelt, wobei die einzelnen Teilsegmente so gewählt sind, dass zu jedem Arbeitsspiel einer Mehrzylinder- Brennkraftmaschine genau ein Teilsegment gegeben ist.

In einem Schritt S4 erfolgt anschließend die entsprechende Zylinderzuordnung der aktuellen Korrekturfaktorwerte, so dass bei einer Vierzylinder-Brennkraftmaschine vier Korrekturfak­ toren k1 bis k4 vorliegen. Im allgemeinen entspricht die An­ zahl an Korrekturfaktoren ki der Zylinderanzahl der Brenn­ kraftmaschine 1.

Nun werden die Korrekturfaktoren ki in einem Schritt S5 einer Tiefpassfilterung unterzogen, so dass ein entsprechender Satz an tiefpassgefilterten Korrekturfaktoren K1 bis K4 vorliegt.

Zur Berechnung der Drehzahl wird in einem Schritt S6 mit nachfolgender Gleichung ein erster Drehzahlwert ermittelt

der anschließend in einem Schritt S7 durch Multiplikation mit dem zylinderindividuellen, tiefpassgefilterten Korrekturfak­ tor Ki korrigiert wird.

V_n = v_n.Ki (4).

Dabei wird zur Korrektur derjenige Korrekturfaktor Ki des Satzes an Korrekturfaktoren verwendet, der demjenigen Zylin­ der zugeordnet ist, dessen Teilsegment-Durchlauf als letzter gemessen wurde, der mithin als letzter in die Berechnung der Drehzahl v_n einging.

Claims (6)

1. Verfahren zur Bestimmung der Drehzahl einer Brennkraftma­ schine, bei dem

• a) ein von der Brennkraftmaschine angetriebenes Sektorenrad abgetastet wird,
• b) ein Durchlauf eines bestimmten Segmentes des Sektorenrades erfasst und die Zeitdauer dieses Segment-Durchlaufes (T30_n)gemessen und daraus ein Drehzahlwert bestimmt wird,
• c) wiederholt ein Durchlauf eines bestimmten Teils dieses be­ stimmten Segmentes erfasst und die Zeitdauer dieses Teilseg­ ment-Durchlaufes (Ta_n; Ta_n + 1) gemessen wird und ein Verhält­ nis der Zeitdauern (Ta_n; Ta_n + 1) des Teilsegment-Durchlaufes von zwei aufeinanderfolgenden Durchläufen des bestimmten Teil des Segmentes ermittelt wird und
• d) das Verhältnis verwendet wird, um den Drehzahlwert zu kor­ rigieren.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Drehzahl einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine bestimmt wird und in Schritt c) für vier verschiedene Teilsegmente ausgeführt wird, wobei jedes Teilsegment in einem Arbeitstakt eines anderen Zylin­ ders liegt.

3. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, bei dem das Verhältnis multiplikativ mit dem Drehzahlwert verknüpft wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem
Schritt b) wiederholt ausgeführt und ein Drehzahlwert- Verhältnis zwischen zwei aufeinanderfolgend bestimmten Dreh­ zahlwerten gebildet wird,
zylinderindividuell das Verhältnis der Zeitdauern des Teil- Segment-Durchlaufes ermittelt wird,
ein zylinderindividueller Korrekturfaktor berechnet wird, indem das Verhältnis durch das Drehzahlwert-Verhältnis divi­ diert wird, und
in Schritt d) der zylinderindividuelle Korrekturfaktor mul­ tiplikativ mit dem Drehzahlwert verknüpft wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der zylinderindividuel­ le Korrekturfaktor tiefpassgefiltert wird.

6. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, bei dem das Verhältnis tiefpassgefiltert wird.