DE102004044464A1

DE102004044464A1 - Method for signal processing for controlling IC engine via crankshaft markings and sensors as well as sensors for engine loading

Info

Publication number: DE102004044464A1
Application number: DE200410044464
Authority: DE
Inventors: Kai Barnickel; Juergen Biester; Andreas-Juergen Rohatschek; Udo Schulz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-09-15
Filing date: 2004-09-15
Publication date: 2006-03-30

Abstract

A method for processing signals for controlling an IC engine, e.g. a diesel injection engine, has the crankshaft fitted with markings to provide position signals using sensors. The process is enhanced by monitoring the dynamic state of the engine, e.g. engine loading, in order to provide accurate position signals between the crankshaft markings, i.e. by interpolation. The improved method takes into account acceleration and other dynamic changes to provide accurate control for injection times and length etc.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zur Signalauswertung bei einer Brennkraftmaschine nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 7.The The invention relates to a device and a method for signal evaluation in an internal combustion engine according to the preambles of claims 1 and 7th

Heutige Einspritzsysteme von Brennkraftmaschinen, insbesondere von Diesel-Brennkraftmaschinen, erfordern sehr genaue Einspritzzeiten, insbesondere muß der Einspritzbeginn sehr präzise erfolgen. Um diese präzisen Einspritzungen, insbesondere bei einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine, bei der eine zylinderspezifische Regelung erforderlich ist, zu realisieren, müssen in einem Steuergerät der Brennkraftmaschine ständig die genaue Stellung der Kurbel- und/oder Nockenwelle bekannt sein. Um diese zu erfassen, sind üblicherweise Geber vorgesehen, welche eine beispielsweise mit der Kurbelwelle verbundene Geberscheibe mit einer charakteristischen Oberfläche aufweisen und Sensoren, welche diese Oberfläche abtasten und Ausgangssignale an das Steuergerät liefern, das die erforderlichen Auswertungen durchführt und Steuergrößen ermittelt und/oder Ansteuerimpulse auslöst. Liegt z.B. der Einspritzbeginn falsch, verschlechtern sich beispielsweise die Emissionswerte der Brennkraftmaschine. Im Bereich der Vollast kann beispielsweise infolge der Verlagerung des Verbrennungsschwerpunktes nach früh ein höherer Zylinderspitzendruck entstehen, der wiederum einen Motorschaden verursachen kann.today Injection systems of internal combustion engines, in particular of diesel internal combustion engines, require very accurate injection times, in particular, the start of injection must very precise respectively. To be precise Injections, in particular in a multi-cylinder internal combustion engine, in which a cylinder-specific control is required to realize have to in a control unit the internal combustion engine constantly be known the exact position of the crankshaft and / or camshaft. To capture these are common Encoder provided which, for example, connected to the crankshaft Encoder disk having a characteristic surface and sensors, which this surface and output signals to the control unit, the required Performs evaluations and control variables determined and / or Triggering pulses. If, for example, the injection start wrong, for example, deteriorate the emission levels of the internal combustion engine. In the area of full load can, for example, as a result of the shift of the focus of combustion early a higher one Cylinder tip pressure arise, which in turn causes engine damage can cause.

Eine beispielsweise aus der DE 196 38 338 A1 bekannte und heute üblicherweise verwendete Geberanordnung verwendet eine Geberscheibe mit 60 Zähnen, so daß jede Zahnperiode 6° Kurbelwelle beträgt. Die Winkelmarken werden dabei durch die Zähne gebildet. Als diese Winkelmarken abtastende Sensoren kommen induktive, magnetorestriktive Geber oder Hall-Geber zum Einsatz.For example, from the DE 196 38 338 A1 known and now commonly used encoder arrangement uses a donor disc with 60 teeth, so that each tooth period is 6 ° crankshaft. The angle marks are formed by the teeth. Inductive, magnetorestrictive encoders or Hall sensors are used as sensors measuring these angle marks.

In einer Recheneinheit wird das Sensorsignal in ein digitales Signal gewandelt und beispielsweise einem Controller oder einem Gate-Array oder einer sogennanten Timer-Prozessor-Unit zugeführt, welche die Einspritzzeiten ermittelt und ausgibt.In a computing unit, the sensor signal is in a digital signal converted and, for example, a controller or a gate array or a so-called timer processor unit fed, which determines and outputs the injection times.

Aus den Winkelmarken wird auch die Drehzahl bestimmt. Um einen Einspritzbeginn mit einer Auflösung kleiner als 6° Kurbelwelle realisieren zu können, wird auf an sich bekannte Weise in der Recheneinheit eine lineare Winkel-Zeit-Extrapolation durchgeführt. Dabei wird die Zahnperiode in eine vorgebbare Anzahl Teile unterteilt. Hierdurch wird die Auflösung zwar deutlich gesteigert. Problematisch ist jedoch, daß diese Unterteilung linear erfolgt. Da nämlich üblicherweise die Kurbelwellendrehzahl infolge von Zylinderdruckschwankungen, durch den Gaswechsel, durch eine vom Fahrer gewollte Beschleunigung oder Verzögerung oder durch äußere Störungen, z.B. eine Geländefahrt und dergleichen, nicht konstant bleibt, muß bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren bei jeder Winkelmarke erneut eine Winkel-Zeit-Extrapolation durchgeführt werden. Durch diese wiederholten Extrapolationen können Winkel oder Zeiten zwischen den Winkelmarken nie genau bestimmt werden, da zwischen den Winkelmarken keine neue Drehzahlinformationen vorliegen. Dies kann zwar mit entsprechenden Applikationen der Brennkraftmaschine in statischen Betriebspunkten teilweise wieder kompensiert werden. Diese Applikationen können jedoch nicht oder nur ungenügend Toleranzen der Brennkraftmaschinen, Unterschiede zwischen den einzelnen Zylindern der Brennkraftmaschine, eine unterschiedliche Reibung aufgrund unterschiedlicher Schmierstoffe, Undichtigkeiten der Zylinder, Änderungen infolge Alterung oder dynamische Fehler durch Wechsel zwischen den Betriebspunkten berücksichtigen.Out The angle marks are also the speed determined. At the beginning of the injection with a resolution less than 6 ° crankshaft to be able to realize is in a known manner in the arithmetic unit a linear Angle-time extrapolation performed. This is the tooth period divided into a predeterminable number of parts. This will cause the resolution significantly increased. The problem is that these Subdivision is linear. Because usually the crankshaft speed due to cylinder pressure fluctuations, by the gas exchange, by a driver's desired acceleration or deceleration or by external disturbances, e.g. a cross country drive and the like, does not remain constant, must be in the state of the art known methods at each angle mark again an angle-time extrapolation be performed. These repeated extrapolations allow angles or times between The angle marks are never determined exactly because between the angle marks no new speed information is available. While this can be done with appropriate Applications of the internal combustion engine in static operating points partially compensated again. However, these applications can not or only insufficient Tolerances of internal combustion engines, differences between the individual Cylinders of the internal combustion engine, a different friction due different lubricants, cylinder leaks, changes due to aging or dynamic errors due to alternation between the Consider operating points.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung und ein Verfahren zur Signalauswertung einer Brennkraftmaschine dahingehend weiterzubilden, daß die oben genannten Nachteile beseitigt werden und daß insbesondere auch durch Beschleunigungen und Verzögerungen, durch eine Änderung der Last oder durch äußere Umstände hervorgerufene Fehler bei der Ermittlung der Steuergröße der Brennkraftmaschine berücksichtigt werden.Of the Invention is therefore the object of a device and a method for signal evaluation of an internal combustion engine to the effect to develop that the above-mentioned disadvantages are eliminated and that in particular by accelerations and delays, by a change the burden or caused by external circumstances Error in the determination of the control variable of the internal combustion engine considered become.

Vorteile der ErfindungAdvantages of invention

Diese Aufgabe wird bei einer Einrichtung und einem Verfahren zur Signalauswertung mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 7 gelöst.These Task becomes with a device and a method for signal evaluation with the features of the claims 1 and 7 solved.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.advantageous Further developments and embodiments of the invention are the subject the dependent claims.

Grundidee der Erfindung ist es, die Steuergröße auf der Basis von die Last der Brennkraftmaschine charakterisierenden Größen zu korrigieren. Hierdurch werden Gaswechselphasen, d.h. der Zylinderdruck, die Beschleunigung der Brennkraftmaschine und dergleichen berücksichtigt. Auf diese Weise wird eine genauere winkel- und zeitrichtige Positionierung der Einspritzung ermöglicht und insbesondere auch über die Lebensdauer der Brennkraftmaschine sichergestellt.The basic idea The object of the invention is to provide the control quantity on the basis of the load Correct the characterizing parameters of the internal combustion engine. hereby gas exchange phases, i. the cylinder pressure, the acceleration the internal combustion engine and the like taken into account. This way will a more accurate angular and time-correct positioning of the injection allows and especially about ensured the life of the internal combustion engine.

Bevorzugt wird neben der Korrektur auf der Basis einer die Last der Brennkraftmaschine charakterisierenden Größe bei einer aktuellen Winkelinformation auch eine mittlere Drehzahl der Kurbelwelle sowie eine Beschleunigung der Winkelmarken des Gebers (Drehbeschleunigung) aus zuvor ermittelten Winkelinformationen bestimmt und die ermittelte Steuergröße auf der Basis dieser Größen korrigiert.In addition to the correction on the basis of a variable characterizing the load of the internal combustion engine, a mean rotational speed of the crankshaft is also preferred for a current angle information and an acceleration of the angle marks of the encoder (spin) determined from previously determined angle information and corrects the determined control variable on the basis of these variables.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform sieht dabei eine adaptierte, nichtlineare Winkel-Zeit-Extrapolation vor. Dabei wird die Differenz zwischen der erfaßten Winkelinformation und der vorstehend beschriebenen korrigierten Winkelinformation gebildet und aus dieser Differenz der Korrekturwert der Steuergröße bei einer darauffolgenden Winkelinformation des gleichen Typs – also bei einem entsprechenden Kurbelwellenwinkel – ermittelt.A particularly advantageous embodiment sees an adapted, non-linear angle-time extrapolation in front. In this case, the difference between the detected angle information and formed the corrected angle information described above and from this difference the correction value of the control variable at a subsequent angle information of the same type - ie at a corresponding crankshaft angle - determined.

Zeichnungdrawing

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:Further Features and advantages of the invention will be described below closer to the drawing explained. In the drawing show:

1 eine Einrichtung zur Signalauswertung einer Brennkraftmaschine und 1 a device for signal evaluation of an internal combustion engine and

2 eine Recheneinheit zur erfindungsgemäßen Auswertung der Winkelinformation. 2 an arithmetic unit for the evaluation of the angle information according to the invention.

Beschreibung der Ausführunsbeispieledescription The Ausführunsbeispiele

Eine Einrichtung zur Signalauswertung einer Brennkraftmaschine 100 weist einen Geber auf; beispielsweise in Form eines mit einer (nicht dargestellten) Kurbelwelle drehfest verbundenen Geberrads 110, welches Winkelmarken 115 trägt. Die Winkelposition des Geberrads 110 wird durch einen Sensor 120, beispielsweise einen induktiven, magnetorestriktiven Geber oder auch einen Hall-Geber, abgetastet, dessen Signal einer Recheneinheit 200 zugeführt wird. Die Recheneinheit 200 gibt ein Steuersignal aus, welches beispielsweise ein Einspritzventil 130 der Brennkraftmaschine 100 ansteuert.A device for signal evaluation of an internal combustion engine 100 has a giver; For example, in the form of a non-rotatably connected to a (not shown) crankshaft donor wheel 110 , which angle marks 115 wearing. The angular position of the encoder wheel 110 is through a sensor 120 , For example, an inductive, magnetorestrictive encoder or a Hall sensor, sampled, the signal of a computing unit 200 is supplied. The arithmetic unit 200 outputs a control signal which, for example, an injection valve 130 the internal combustion engine 100 controls.

Die Ansteuerung des Einspritzventils 130 und insbesondere der Einspritzbeginn muß dabei mit sehr hoher Genauigkeit erfolgen. Dabei sind Genauigkeiten unter 1° Kurbelwelle erforderlich. Da das Geberrad 110 üblicherweise 60 Winkelmarken in Form von Zähnen 115 aufweist, sind jeder Zahnperiode jedoch lediglich 6° Kurbelwelle zugeordnet.The control of the injection valve 130 and in particular the start of injection must be done with very high accuracy. Accuracies below 1 ° crankshaft are required. Because the donor wheel 110 usually 60 angle marks in the form of teeth 115 However, each tooth period are assigned only 6 ° crankshaft.

Das erfaßte Signal 205 ist rechteckförmig (siehe 2). Eine Periode entspricht 6° KW, d.h. einem Kurbelwellenwinkel von 6°. Die Breite der Rechteckflanken ändert sich dabei abhängig davon, ob eine Beschleunigungs- oder Verzögerungsphase der Brennkraftmaschine und damit auch der Kurbelwelle vorliegt. So verbreitern sich beispielsweise die Rechtecke bei einer Verzögerungsphase der Brennkraftmaschine, wie es in 2 schematisch dargestellt ist. Aufgrund der Kurbelwellenform und der applizierten Zündfolge der einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine sind Gaswechselphasen und damit tendenziell die Beschleunigungs- und Verzögerungsphasen der Brennkraftmaschine wie auch der Kurbelwelle über 720° Kurbelwelle vorbestimmt. Aus zeitlich vorausgehenden Winkelinformationen werden in einem Teil 210 der Recheneinheit 200 oder in einem entsprechenden Algorithmus eine mittlere Drehzahl sowie eine Drehbeschleunigung ermittelt. Aus dieser mittleren Drehzahl, der Drehbeschleunigung sowie einem die Last der Brennkraftmaschine charakterisierenden, separat zugeführten Signal und der Kenntnis der aktuellen Winkelmarke, d.h. des aktuellen Zahns (der Zahnnummer) des Geberrads 110 wird ein Korrekturwert bestimmt. Dieser Korrekturwert wird beispielsweise mittels eines Kennfeldraums 220 ermittelt. Der Kennfeldraum 220 wird laufend angepaßt, indem mittels der aus den vorausgehenden Winkelinformationen bestimmten mittleren Drehzahl, der Drehbeschleunigung sowie der Zahnnummer und der Last laufend ein aktualisierter Korrekturwert bestimmt wird. Auf Basis dieses Korrekturwerts sowie der mittleren Drehzahl und der Drehbeschleunigung wird die Winkelinformation der nächsten Zahnflanke in einem Teil 221 der Recheneinheit 200 oder in einem entsprechenden Algorithmus berechnet (extrapoliert) und der Timer einer ersten Winkeluhr 222 entsprechend gestartet. Diese Winkelinformation wird mit der nächsten mittels des Sensors 110 erfaßten realen Winkelinformation verglichen. Hierbei wird in den meisten Fällen eine Abweichung Δ auftreten, die in einem weiteren Teil 230 der Recheneinheit 200 oder in einem entsprechenden Adaptionsalgorithmes verarbeitet und bei der Bestimmung des Korrekturwerts im Kennfeldraum 220 berücksichtigt wird. Der Korrekturwert wird wiederum dem Teil 221 der Recheneinrichtung, welche die Extrapolation der Winkelinformation berechnet, sowie einem Teil 241 der Recheneinheit 220 oder einem entsprechenden Extrapolationsalgorithmus, welcher die Einspritzereignisse berechnet und eine weitere Winkeluhr 242 zur Festlegung der Einspritzwinkel/Einspritzzeitpunkte startet, zugeführt. Hierdurch können die Einspritzzeiten und insbesondere der jeweilige Einspritzbeginn sehr präzise bestimmt werden – präziser als es die Winkelmarken ermöglichen.The detected signal 205 is rectangular (see 2 ). One period corresponds to 6 ° CA, ie a crankshaft angle of 6 °. The width of the rectangular edges changes depending on whether there is an acceleration or deceleration phase of the internal combustion engine and thus also of the crankshaft. For example, the rectangles broaden at a deceleration phase of the internal combustion engine, as in 2 is shown schematically. Due to the crankshaft shape and the applied firing order of the individual cylinders of the internal combustion engine gas change phases and thus the acceleration and deceleration phases of the internal combustion engine and the crankshaft over 720 ° crankshaft tend to be predetermined. From temporally preceding angle information is in one part 210 the arithmetic unit 200 or determined in a corresponding algorithm, a mean speed and a spin. From this average speed, the rotational acceleration and a load of the internal combustion engine characterizing, separately supplied signal and the knowledge of the current angle mark, ie the current tooth (the tooth number) of the encoder wheel 110 a correction value is determined. This correction value is, for example, by means of a map space 220 determined. The map room 220 is continuously adapted by continuously using the determined from the preceding angle information average speed, the spin and the tooth number and the load an updated correction value is determined. Based on this correction value as well as the average rotational speed and the rotational acceleration, the angle information of the next tooth flank is in one part 221 the arithmetic unit 200 or calculated in an appropriate algorithm (extrapolated) and the timer of a first angle clock 222 started accordingly. This angle information is sent to the next one by means of the sensor 110 detected real angle information compared. Here, in most cases, a deviation Δ will occur, which in another part 230 the arithmetic unit 200 or processed in a corresponding adaptation algorithm and in the determination of the correction value in the map space 220 is taken into account. The correction value becomes the part again 221 the computing device, which calculates the extrapolation of the angle information, as well as a part 241 the arithmetic unit 220 or a corresponding extrapolation algorithm that calculates the injection events and another angle clock 242 for determining the injection angle / injection timing starts, supplied. In this way, the injection times and in particular the respective start of injection can be determined very precisely - more precisely than the angle marks allow.

Beschleunigungsfehler in dem Arbeitspunkt des Kennfeldraumes 220 werden z.B. mittels digitaler Filter, beispielsweise Filteralgorithmen oder Adaptionsalgorithmen korrigiert oder adaptiert, wobei hierbei vorzugsweise laufend der gleitende Mittelwert der ermittelten Werte gebildet und in dem Kennfeldraum 220 abgelegt wird. Der so adaptierte Kennfeldraum 220 wird in einem RAM abgelegt und im Nachlauf des Steuergeräts in einem Dauerspeicher gesichert (nicht dargestellt). Beim nächsten Start des Steuergeräts wird das RAM wieder mit den. Werten aus dem Dauerspeicher initialisiert.Acceleration error in the working point of the map space 220 are corrected or adapted, for example, by means of digital filters, for example filter algorithms or adaptation algorithms, in which case the moving average of the determined values is preferably continuously formed and stored in the map space 220 is filed. The thus adapted map space 220 is stored in a RAM and secured in the wake of the controller in a permanent memory (not shown). The next time you start the controller, the RAM will be back with the. Values off Initialized to the permanent memory.

Durch die vorbeschriebene Signalauswertungseinrichtung wird die Winkel-/Zeit-Extrapolation zwischen zwei Zahnflanken 115 genauer, wodurch jeweils der Einspritzbeginn und das Einspritzende der Einspritzungen wesentlich präziser vorgenommen werden können. Da die Steuereinrichtung die Steuergröße bei einer Winkelmarke adaptiv, d.h. in Abhängigkeit von vorausgehenden Winkelinformationen korrigiert, werden Veränderungen durch Alterung, eine Drift der beteiligten Komponenten kompensiert. Darüber hinaus ermöglichen die Werte aus dem adaptierten Kennfeldraum 220 eine zylinderspezifische Diagnose des Wirkungsgrads und der beteiligten Komponenten Brennkraftmaschine – Drehzahlgeber. Diese ermöglichen Aussagen über die Betriebsweise der Brennkraftmaschine, insbesondere können Ausfälle und funktionale Störungen rechtzeitig erkannt werden, z.B. wenn ein adaptierter Korrekturwert einen bestimmten Wert übersteigt oder ein vorgegebenes Toleranzband überschreitet.The above-described signal evaluation device makes the angle / time extrapolation between two tooth flanks 115 more precisely, whereby each of the injection start and the injection end of the injections can be made much more precise. Since the control device adjusts the control variable adaptively at an angle mark, ie as a function of preceding angle information, changes due to aging, drift of the components involved are compensated for. In addition, the values from the adapted map space allow 220 a cylinder-specific diagnosis of the efficiency and the components involved Internal combustion engine - speed sensor. These allow statements about the operation of the internal combustion engine, in particular failures and malfunctions can be detected in time, for example, when an adapted correction value exceeds a certain value or exceeds a predetermined tolerance band.

Claims

Device for signal evaluation in an internal combustion engine with an encoder driven by a crankshaft, having angular markers, with at least one of the Winkeimarken scanning sensor for detecting angular information with respect to the crankshaft and with a computing unit, which determines a control variable of the internal combustion engine based on the angle information, as characterized by in that the arithmetic unit corrects the control quantity on the basis of temporally preceding angle information and / or a variable characterizing the load of the internal combustion engine.

Device according to claim 1, characterized that the Arithmetic unit at a current angle information from temporally previously determined angle information a mean speed of Crankshaft and an acceleration of the angular marks of the encoder disc (Spin) and the control quantity based on the average Speed and the spin corrected.

Device according to claim 1 or 2, characterized that the Arithmetic unit from the deviation of the detected angle information of the corrected angle information is a correction value of the control quantity at a determined subsequent angle information of the same type.

Device according to one of claims 1 to 3, characterized that the Control variable of the injection angle or the injection time is.

Device according to one of the preceding claims, characterized characterized in that dependence the correction value of the middle speed, the spin and the load in the form of a map space in a memory of Arithmetic unit is stored.

Device according to one of the preceding claims, characterized characterized in that Computing unit has a digital filter.

Device according to claim 7, characterized that this digital filters continuously take a moving average of the correction value forms.

Method for signal evaluation of an internal combustion engine, wherein by means of an angle marks of a sensor scanning sensor Angle information regarding the crankshaft detected and on the basis of this angle information, a control variable of the internal combustion engine is determined, characterized in that the control variable in dependence corrected by a load characterizing the load of the internal combustion engine becomes.

Method according to claim 8, characterized in that that out previously determined angle information a mean speed of Crankshaft and a rotational acceleration of the crankshaft are determined and the control size at a current angle information based on the average speed and the spin is corrected.

Method according to claim 8 or 9, characterized that the Deviation of the detected angle information is formed by the corrected angle information and from this Deviation a correction value of the control variable for subsequent angle information same type is determined.