DE102004035199B3 - Verfahren zum Bestimmen der Winkelposition einer Brennkraftmaschine zum zeitgerechten Steuern der zweiten Verbrennung beim Start - Google Patents

Verfahren zum Bestimmen der Winkelposition einer Brennkraftmaschine zum zeitgerechten Steuern der zweiten Verbrennung beim Start Download PDF

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Abstract

Bei diesem Verfahren wird vor Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine im Betriebssteuergerät ein Kennfeld abgespeichert, das einen typischen Verlauf der Drehzahl während des Starts in Abhängigkeit von der Zeit und der Temperatur der Brennkraftmaschine darstellt. Beim Starten der Brennkraftmaschine wird dann, ausgehend von einer dem Betriebssteuergerät bekannten Start-Winkelposition, aus aufeinanderfolgenden Signalimpulsen des Kurbelwellensignals ein Drehzahlsignal erzeugt und durch einen Vergleich mit Drehzahlerwartungswerten aus dem Kennfeld plausibilisiert. Dies erlaubt es, schon zu Beginn des Startvorganges die aktuelle Winkelposition der Brennkraftmaschine hochverlässlich bestimmen zu können, auch wenn der Kurbelwellen-Sensor keine oder falsche Drehzahlsignale an das Betriebssteuergerät abgibt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Winkelposition der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine zum zeitgerechten Steuern der zweiten Verbrennung beim Start der Brennkraftmaschine, deren Betrieb von einem elektronischen Betriebssteuergerät geregelt wird.
  • Eine wichtige Voraussetzung für eine ordnungsgemäße Regelung des Betriebs einer derartigen Brennkraftmaschine ist die Kenntnis der aktuellen Winkelposition und Phasenlage der Brennkraftmaschine. Zur Bestimmung der Winkelposition der Kurbelwelle wird üblicherweise ein Drehzahlsensor mit einem gezahnten Geberrad und einem Aufnehmer zum Erzeugen eines Kurbelwellensignals in Form von Signalimpulsen entsprechend den Zähnen des Geberrades verwendet. Das Geberrad hat z.B. 60 – 2 Zähne und eine sich über zwei Zähne erstreckende Lücke, die als Referenz für die OT-Lage (oberer Totpunkt-Lage) dient. Ein Nockenwellensensor beispielsweise in Form eines Schwarz-Weiß-Sensors (Binärsensors) erzeugt ein binäres Nockenwellensignal, das eine Bestimmung der Phasenlage der Brennkraftmaschine, d.h. eine Entscheidung darüber, ob die obere Endlage eines beliebigen Zylinders sein Zünd-OT oder Ladungswechsel-OT ist, erlaubt. Mit dieser Kenntnis ist dann ein winkelsynchrones und zeitgerechtes Absetzen der Zündung und Kraftstoffeinspritzung möglich.
  • Für eine Optimierung des Betriebsverhaltens der Brennkraftmaschine beim Start ist eine möglichst frühzeitige Erkennung der Winkelposition und Phasenlage erforderlich. In diesem Zusammenhang ist es bereits bekannt geworden, die beim Abstellen der Brennkraftmaschine erreichte Endposition im Betriebssteuergerät abzuspeichern und Drehbewegungen der Kurbelwelle auch bei abgeschalteter Brennkraftmaschine zu erfassen, so dass beim erneuten Start der Brennkraftmaschine die Start-Winkelposition bekannt ist ( DE 102 28 147 B3 ).
  • Hierdurch lässt sich die Anlassphase der Brennkraftmaschine beschleunigen und verbessern, da ein erstes mögliches Arbeitsspiel ohne Verzögerung ausgeführt werden kann. Dies kann für einen herkömmlichen Start der Brennkraftmaschine mit einem elektrischen Anlasser genutzt werden, ist jedoch besonders wichtig für einen sogenannten internen Direktstart der Brennkraftmaschine.
  • Unter einem internen Direktstart, im Englischen als „instant-start" oder „fast-start" bezeichnet, versteht man den Startvorgang einer Brennkraftmaschine mit Kraftstoffeinspritzung ohne Benutzung eines herkömmlichen elektrischen Anlassers. Der Start erfolgt dadurch, dass an der stehenden Brennkraftmaschine eine bestimmte Kraftstoffmenge unter Druck in einen Zylinder eingespritzt wird, das dadurch entstehende zündfähige Luft-Kraftstoff-Gemisch zur Verbrennung gebracht wird, der Kolben des gefeuerten Zylinders durch seine Abwärtsbewegung ein Drehmoment an der Kurbelwelle aufbringt und die Brennkraftmaschine sich somit zu drehen beginnt. Das bei der Initialzündung entstehende Drehmoment muss mindestens so groß sein, dass der entsprechend der Zündreihenfolge der Brennkraftmaschine (z.B. 1-3-4-2) folgende Zylinder seinen oberen Totpunkt erreicht, das in diesen eingebrachte Luft-Kraftstoff-Gemisch wiederum gezündet und dadurch die Drehbewegung der Brennkraftmaschine fortgesetzt wird. Mit den folgenden Zylindern wird ebenso verfahren, bis der Startvorgang beendet und die Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine erreicht ist.
  • Für das Direktstartverfahren ist die Kenntnis der Start-Winkelposition der Brennkraftmaschine notwendig, um die im Startzylinder befindliche Luftmasse und dementsprechend die einzuspritzende Kraftstoffmenge bestimmen zu können. Um auch für den Folgezylinder eine winkel- und damit positionsgerechte Einspritzung und Zündung vornehmen zu können, ist eine genaue Kenntnis der unmittelbar auf die Start-Winkelposition folgenden Winkelpositi onen der Brennkraftmaschine erforderlich. Andernfalls ist eine optimale Verbrennung im Folgezylinder nicht gewährleistet. Schlimmstenfalls beginnt die Verbrennung im Folgezylinder, ehe der Kolben seinen oberen Totpunkt erreicht hat. Es besteht dann die Gefahr, dass die Brennkraftmaschine rückwärts dreht. Ein Start der Brennkraftmaschine wäre dann nicht möglich.
  • Bei Verwendung eines herkömmlichen Kurbelwellen-Sensors, der Signalimpulse entsprechend den Zähnen des Geberrades erzeugt, ist jedoch im allgemeinen eine präzise Erfassung der Winkelposition der Kurbelwelle unmittelbar anschließend an eine dem Betriebssteuergerät bekannte Start-Winkelposition nicht möglich. Wenn nämlich der Kurbelwellen-Sensor beim Start die erste Zahnflanke erkannt hat, wird das Sensorsignal für eine applizierbare Zeit (z.B. 30 ms) ausgeblendet. Dies erfolgt, um zu verhindern, dass durch beim Start verursachte Schwingungen (Jittern) „falsche" Signalflanken erzeugt werden, die das elektronische Betriebssteuergerät als Zähne des Geberrades interpretieren könnte. Nach dieser Wartezeit erfolgt üblicherweise eine Plausibilisierung der Drehbewegung der Brennkraftmaschine, indem eine wiederum applizierbare Anzahl von Zähnen (z.B. acht) ohne Unterbrechung erkannt werden muss, damit die Kraftstoffeinspritzung freigegeben wird. Fällt in diesen Zeitraum die Referenzlücke des Geberrades, so muss mit dem Zählen von neuem begonnen werden. Das bedeutet, dass für eine unter Umständen recht große Anzahl von Zähnen des Geberrades und somit einen entsprechend großen Winkelbereich der Drehbewegung eine exakte Erfassung der aktuellen Winkelposition der Brennkraftmaschine durch das Betriebssteuergerät nicht möglich ist. Daraus wiederum folgt, dass eine zeitgerechte Steuerung der zweiten Verbrennung beim Start, d.h. eine zeitgenaue Kraftstoffeinspritzung und Zündung für den Folgezylinder nicht möglich ist und damit die Effizienz der Verbrennung nicht gewährleistet werden kann.
  • Aus DE 196 38 338 A1 ist eine Geberanordnung zur schnellen Zylindererkennung bei einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine bekannt, bei der der Kurbelwellensensor eine Vielzahl gleichartiger Winkelmarken und wenigstens zwei Bezugsmarken aufweist und der Nockenwellensensor eine Segment-Winkelmarke pro Zylinder Z und Z – 1 Synchronisations-Winkelmarken aufweist. Jeweils eine Synchronisations-Winkelmarke ist einer Segment-Winkelmarke in unterscheidbarem Abstand zugeordnet. Die Geber der Sensoren werden mit Hilfe geeigneter Aufnehmer abgetastet, und aus den sich ergebenden Signalverläufen mit charakteristischer Pulsfolge kann dann das Steuergerät der Brennkraftmaschine nach dem Start schnell die richtige Zylinderlage ermitteln und eine Synchronisation auslösen. Hierbei können Plausibilitätsuntersuchungen ablaufen, die erkennen lassen, wenn das Ausgangssignal eines Aufnehmers fehlerhaft ist. Hierdurch lässt sich jedoch eine zeitgerechte Steuerung der zweiten Verbrennung beim Start ebenfalls nicht sicherstellen.
    •
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, durch das die Winkelposition der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine beim Start, ausgehend von einer dem Betriebssteuergerät be kannten Start-Winkelposition, präzise bestimmt werden kann, um eine zeitgerechte Steuerung der zweiten Verbrennung beim Start der Brennkraftmaschine zu ermöglichen.
  • Diese Aufgabe wird durch das in Anspruch 1 definierte Verfahren gelöst.
  • Bei diesem Verfahren wird vor Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine im Betriebssteuergerät ein Kennfeld abgespeichert, das einen typischen Verlauf der Drehzahl der Kurbelwelle während des Starts in Abhängigkeit von der Zeit und der Temperatur der Brennkraftmaschine darstellt. Jeweils beim Starten der Brennkraftmaschine wird dann ausgehend von der dem Betriebssteuergerät bekannten Start-Winkelposition aus aufeinanderfolgenden Signalimpulsen des Kurbelwellensignals ein Drehzahlsignal erzeugt und durch einen Vergleich mit Drehzahlerwartungswerten aus dem Kennfeld plausibilisiert.
  • Die vorliegende Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass die Brennkraftmaschine beim Start ein typisches Hochlaufverhalten hat, das im wesentlichen nur von der Zeit bzw. Winkelposition und Temperatur der Brennkraftmaschine abhängt. Grundsätzlich ist das Hochlaufverhalten der Brennkraftmaschine von den temperaturabhängigen Reibungsverhältnissen, der Verbrennungsqualität und dem sich im Folgezylinder aufbauenden Gegendruck abhängig. Die Verbrennungsqualität kann als gegeben angenommen werden, ebenso wie der Druckverlauf im Folgezylinder, der von der bekannten Start-Winkelposition der Brennkraftmaschine abhängig ist. Die Temperatur der Brennkraftmaschine kann aus der Kühlmittel- und Öltemperatur der Brennkraftmaschine ermittelt werden und ist somit dem Betriebssteuergerät bekannt.
  • Für jede Brennkraftmaschine lässt sich daher vor ihrer Inbetriebnahme ein Kennfeld ermitteln, das den typischen Verlauf der Drehzahl während des Starts in Abhängigkeit von der Zeit bzw. Winkelposition und der Temperatur der Brennkraftmaschine darstellt. Das Kennfeld liefert somit Drehzahlerwartungswerte, die dann bei jedem Start der Brennkraftmaschine zum Plausibili sieren des vom Kurbelwellen-Sensor erzeugten Drehzahlsignals verwendet werden.
  • Dies erlaubt dem elektronischen Betriebssteuergerät eine präzise und hochverlässliche Bestimmung der Winkelposition der Kurbelwelle schon zu Beginn des Starts unmittelbar im Anschluss an die bekannte Start-Winkelposition, auch wenn dem elektronischen Betriebssteuergerät keine oder falsche Drehzahlsignale übermittelt werden. Damit ist es möglich, den Einspritzvorgang und die Zündung der zweiten Verbrennung optimal zu „timen", wodurch ihre Effizienz sichergestellt und das Startverfahren abgesichert werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren wird mit besonderem Vorteil bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine mit internen Direktstarts verwendet, wenn es auch grundsätzlich bei herkömmlichen Startverfahren mit elektrischem Anlasser eingesetzt werden kann.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.
    •
  • Anhand der Zeichnungen werden weitere Einzelheiten der Erfindung erläutert. Es zeigt:
  • 1 eine schematische, teilweise geschnittene Ansicht eines Teils einer Brennkraftmaschine;
  • 2 den Verlauf eines Kurbelwellen- und Nockenwellen-Signals;
  • 3 ein Kennfeld, in dem die Drehzahl n einer Brennkraftmaschine über der Zeit t während des Starts in Abhängigkeit von der Temperatur T der Brennkraftmaschine aufgetragen ist;
  • 4 ein Ablaufdiagramm eines Beispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Die in 1 schematisch dargestellte Brennkraftmaschine 1, die beispielsweise als Vierzylinder-Ottomotor mit Benzineinspritzung ausgebildet ist und in einem Betriebsmodus mit internen Direktstarts betrieben werden kann, ist mit einem elektronischen Betriebssteuergerät 2 (ECU) ausgestattet, das Zündung, Kraftstoffeinspritzung und andere Vorgänge der Brennkraftmaschine 1 regelt. Wie angedeutet, sind dem dargestellten Zylinder 3 Gaswechselventile 4, eine Zündkerze und ein Einspritzventil 5 zugeordnet.
  • Der Kurbelwelle 6 ist ein Kurbelwellen-Sensor 7 mit einem Geberrad 8 und einem Aufnehmer 9 zugeordnet. Das Geberrad 8 hat an seinem Umfang 60 – 2 Zähne 10 und eine von den beiden fehlenden Zähnen gebildete Referenzlücke 11. Der Nockenwelle 12, die mit der halben Drehzahl der Kurbelwelle 6 dreht, ist ein Nockenwellen-Sensor 13 zugeordnet.
  • 2 zeigt den Verlauf des von dem Kurbelwellen-Sensor 7 erzeugten Kurbelwellensignals CRK mit Signalimpulsen I entsprechend der Anzahl der Zähne 10 des Geberrades 8 und einem Synchronisationsimpuls S entsprechend der Referenzlücke 11 des Geberrades 8 zum Bestimmen z.B. des oberen Totpunktes eines zugehörigen Kolbens. 2 zeigt ferner das von dem Nockenwellensensor 13 erzeugte binäre Nockenwellensignal CAM mit zwei unterschiedlichen Pegeln, die zwei aufeinanderfolgenden Umdrehungen der Kurbelwelle 6 zugeordnet sind. Das Nockenwellensignal CAM und das Kurbelwellensignal CRK erlauben in üblicher Weise eine Bestimmung der Winkelposition und Phasenlage der Kurbelwelle 6 im Betrieb der Brennkraftmaschine.
  • Es sei nun angenommen, dass vor jedem Start der Brennkraftmaschine die Start-Winkelposition PStart der Kurbelwelle dem Betriebssteuergerät 1 bekannt ist. Dies kann beispielsweise dadurch ermöglicht werden, dass die beim Abstellen der Brennkraftmaschine erreichte End-Winkelposition im Betriebssteuergerät abgespeichert wird und auch etwaige weitere Drehungen bei abgestellter Brennkraftmaschine erfasst werden (s. die eingangs erwähnte DE 102 28 147 B3 ). Hierbei müssen auch Pendelbewegungen der Brennkraftmaschine berücksichtigt werden, indem die Drehrichtung der Brennkraftmaschine eindeutig detektiert wird (s. z.B. DE 197 35 722 A1 ).
  • Die Kenntnis der Start-Winkelposition erlaubt dem elektronischen Betriebssteuergerät 1 bei einem internen Direktstart eine Bestimmung der im Startzylinder befindlichen Luftmasse und der hierfür erforderlichen einzusprit zenden Kraftstoffmenge. Um eine zeitgerechte Einspritzung und Zündung im Folgezylinder und somit der zweiten Verbrennung nach dem Start zu ermöglichen, ist eine genaue Kenntnis der Winkelposition der Kurbelwelle schon zu Beginn der Drehbewegung der Kurbelwelle, also unmittelbar nach der Start-Winkelposition erforderlich. Da aus den eingangs genannten Gründen eine exakte Erfassung der Winkelposition über einen unter Umständen recht großen Winkelbereich nach der Start-Winkelposition anhand des Kurbelwellensignals CRK nicht möglich ist, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Plausibilisierung des Kurbelwellensignals CRK vorgenommen, wie im folgenden genauer erläutert wird.
  • Vor der Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine, also bei seiner Kalibrierung, wird ein Kennfeld erstellt, in dem die Drehzahl n der Brennkraftmaschine über der Zeit t bzw. der Winkelposition der Brennkraftmaschine während des Starts in Abhängigkeit von der Temperatur T der Brennkraftmaschine aufgetragen ist. 3 zeigt ein entsprechendes Kennfeld K, das drei Drehzahlkurven für unterschiedliche Temperaturen T1, T2, T3 der Brennkraftmaschine zeigt, wobei der Pfeil die Richtung der Temperaturzunahme andeutet.
  • Wie bereits in der Beschreibungseinleitung erläutert, geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, dass die Brennkraftmaschine beim Start ein typisches Hochlaufverhalten hat, das im wesentlichen nur von der Zeit bzw. Winkelposition und der Temperatur der Brennkraftmaschine abhängt. Das sich hieraus ergebende Kennfeld K wird beim Kalibrieren ermittelt und im elektronischen Betriebssteuergerät 1 abgespeichert.
  • Bei jedem Start der Brennkraftmaschine kann dann unter Zuhilfenahme des abgespeicherten Kennfeldes K die Winkelposition der Kurbelwelle ausgehend von der bekannten Start-Winkelposition PStart präzise ermittelt werden, wie nun anhand des Ablaufdiagramms der 4 näher erläutert wird.
  • Beim Start wird jede Flanke der vom Kurbelwellen-Sensor abgegebenen Signalimpulse I (2) detektiert und aus jeweils aufeinanderfolgenden Flanken ein Drehzahlsignal erzeugt (Blöcke 14 und 15 im Ablaufdiagramm der 4). Die hierbei erhaltenen Werte des Drehzahlsignals werden in einem nächsten Schritt (Block 16) plausibilisiert, d.h. mit aus dem Kennfeld K abgeleiteten Drehzahlerwartungswerten verglichen. Je nach dem Ergebnis werden die Werte des Drehzahlsignales akzeptiert oder verworfen. Die akzeptierten Werten werden einem Block 17 zur Weiterverarbeitung zugeführt. Die verworfenen Werte werden dagegen durch Drehzahlerwartungswerte ersetzt. Hierzu wird aus dem Kennfeld K ein erwartetes Drehzahlprofil in Abhängigkeit von der Temperatur und der Start-Winkelposition PStart bestimmt (Block 18). In einem Block 19 werden dann die bei der Plausibilisierung (Block 16) verworfenen Werte des Drehzahlsignals durch entsprechende Ersatzwerte ersetzt, die dann ebenfalls dem Block 17 zugeführt werden.
  • In dem Block 17 werden dann die akzeptierten Werte des Drehzahlsignals und die die verworfenen Werte ersetzenden Drehzahlerwartungswerte über der Zeit integriert. Hieraus wird dann ausgehend von der bekannten Start-Winkelposition PStart die aktuelle Winkelposition der Kurbelwelle errechnet (Block 20), so dass ein kontinuierlicher Verlauf der Winkelposition der Kurbelwelle aus plausiblen Werten entsteht.
  • Die genaue Kenntnis der Winkelposition der Kurbelwelle beim Start erlaubt dann ein optimales „Timing" für die Kraftstoffeinspritzung und Zündung im Folgezylinder und somit eine optimale Steuerung der zweiten Verbrennung nach dem Start der Brennkraftmaschine (Block 21). Hierdurch wird das komplette Startverfahren abgesichert, und zwar selbst dann, wenn der Kurbelwellen-Sensor keine oder falsche Drehzahlsignale liefert.
    • 1
    Brennkraftmaschine
    2
    Elektronisches Betriebssteuergerät
    3
    Zylinder
    4
    Gaswechselventile
    5
    Einspritzventil
    6
    Kurbelwelle
    7
    Kurbelwellensensor
    8
    Geberrad
    9
    Aufnehmer
    10
    Zähne
    11
    Referenzlücke
    12
    Nockenwelle
    13
    Nockenwellensensor
    14 – 21
    Blöcke
    CAM
    Nockenwellensignal
    CRK
    Kurbelwellensignal
    I
    Signalimpulse
    K
    Kennfeld
    N
    Drehzahl
    PStart
    Start-Winkelposition
    S
    Synchronisationsimpuls
    t
    Zeit
    T, T1, T2, T3
    Temperatur der Brennkraftmaschine

Claims (6)

  1. Verfahren zum Bestimmen der Winkelposition der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine zum zeitgerechten Steuern der zweiten Verbrennung beim Start der Brennkraftmaschine (1), deren Betrieb von einem elektronischen Betriebssteuergerät (2) geregelt wird und welche einen Kurbelwellen-Sensor (7) zum Erfassen der Winkelposition der Kurbelwelle (6) mit einem gezahnten Geberrad (8) und einem Aufnehmer (9) zum Erzeugen eines Kurbelwellensignals (CRK) in Form von Signalimpulsen (I) entsprechend den Zähnen (10) des Geberrades (8) aufweist, bei welchem Verfahren vor Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine im Betriebssteuergerät (2) ein Kennfeld (K) abgespeichert wird, das einen typischen Verlauf der Drehzahl (n) der Kurbelwelle (6) während des Starts in Abhängigkeit von der Zeit (t) und der Temperatur (T) der Brennkraftmaschine darstellt, und bei welchem Verfahren jeweils beim Start der Brennkraftmaschine ausgehend von einer dem Betriebssteuergerät (2) bekannten Start-Winkelposition (PStart) aus aufeinanderfolgenden Signalimpulsen (I) des Kurbelwellensignals (CRK) ein Drehzahlsignal erzeugt und durch einen Vergleich mit Drehzahlerwartungswerten aus dem Kennfeld (K) plausibilisiert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erzeugen des Drehzahlsignals jede Flanke der vom Kurbelwellen-Sensor (7) abgegebenen Signalimpulse (I) detektiert wird und aus unmittelbar aufeinanderfolgenden Flanken der Signalimpulse (I) das Drehzahlsignal erzeugt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Plausibilisieren des Drehzahlsignals jeder Wert des Drehzahlsignals mit einem Drehzahlerwartungswert aus dem Kennfeld (K) verglichen und je nach Ergebnis des Vergleichs akzeptiert oder verworfen wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die verworfenen Werte des Drehzahlsignals durch die entsprechenden Drehzahlerwartungswerte ersetzt werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die akzeptierten Werte des Drehzahlsignals und die die verworfenen Werte ersetzenden Drehzahlerwartungswerte über der Zeit integriert und hierdurch ausgehend von der Start-Winkelposition (PStart) die aktuellen Winkelpositionen der Kurbelwelle errechnet werden.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine mit internen Direktstarts verwendet wird.
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