DE102004048133A1

DE102004048133A1 - Verfahren zur Messung der Drehzahl einer Kurbelwelle

Info

Publication number: DE102004048133A1
Application number: DE102004048133A
Authority: DE
Inventors: Andreas Baumann; Thomas Wenzler; Pierre-Yves Crepin
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-10-02
Filing date: 2004-10-02
Publication date: 2006-04-06
Also published as: US7082363B2; JP2006105146A; US20060070430A1; FR2880126A1; FR2880126B1

Abstract

Bei einem Verfahren zur Bestimmung der Drehzahl der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine mit einer Geberscheibe (1), die mit einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine verbunden ist, wobei die Geberscheibe (1) eine Markierung (3) durch abwechselnde Anordnung von Zähnen (4) und Zahnlücken (8) aufweist und wobei ein der Geberscheibe (1) zugeordneter erster Geber (6) ein elektrisches Signal erzeugt, das mindestens zwei Signalpegel (High, Low) annehmen kann, wobei einer der Signalpegel (High, Low) einem Zahn (4) und der andere einer Zahnlücke (8) zugeordnet ist, wird die Genauigkeit der Drehzahlermittlung erhöht, indem die Drehzahl der Kurbelwelle durch das Steuergerät aus dem Winkel zwischen zwei Markierungen (n, n + m) geteilt durch die zwischen den beiden Markierungen verstrichene Zeit (TZn - TZn + m) ermittelt wird, wobei zwischen den beiden Markierungen (n, n + m) weitere (m) Markierungen liegen können und die Anzahl an Markierungen, die zwischen den beiden Markierungen (n, n + m) liegt, drehzahlabhängig ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Drehzahl der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine mit einer Geberscheibe, die mit einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine verbunden ist, wobei die Geberscheibe eine Markierung durch abwechselnde Anordnung von Zähnen und Zahnlücken aufweist, und wobei ein der Geberscheibe zugeordneter Geberein elektrisches Signal erzeugt, das mindestens zwei Signalpegel annehmen kann, wobei einer der Signalpegel einem Zahn und der andere einer Zahnlücke zugeordnet ist sowie ein Steuergerät zur Durchführung des Verfahrens.

Die Drehzahlermittlung für die Timer Processor Unit (TPU)-Ebene wird auf zwei unterschiedlichen Weisen im Stand der Technik durchgeführt. Zum einen errechnet die TPU anhand der letzten Zahnzeit die Drehzahl, zum anderen erhält die TPU von der Funktionsebene des Steuerungsgerätes eine so genannte Zahnzeit. Die Zahnzeit wird auf Basis der Segmentzeit berechnet. Ein Segment umfasst beispielsweise bei einer Brennkraftmaschine mit 6 Zylindern 720/6 Kurbelwinkel, also 120° Kurbelwellenwinkel.

Die Drehzahl der Kurbelwelle und damit des Motors wird nach Stand der Technik zwischen zwei aufeinander folgenden Zahnflanken bestimmt. Es wird also der Zeitraum gemessen, der zwischen zwei aufeinander folgenden Zahnflanken ver strichen ist, wobei der Kurbelwellenwinkel zwischen zwei aufeinander folgenden Zahnflanken bekannt ist. Daraus lässt sich unmittelbar die Drehzahl der Brennkraftmaschine bestimmen.

Nachteilig am Verfahren nach Stand der Technik ist, dass bei der Bildung der Zahnzeit aus der Segmentzeit große Fehler bei der Dynamik im niedrigen Drehzahlbereich auftreten, während sich bei der direkten Zahnzeitauswertung die Toleranzen in Lage und Ausprägung der Zahnflanken bei hohen Drehzahlen im stationären Betrieb stark auf die Genauigkeit der Drehzahlermittlung auswirken.

Probleme des Standes der Technik

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Genauigkeit der Drehzahlermittlung zu erhöhen.
Vorteile der Erfindung
Die oben genannte Aufgabe wird durch ein Verfahren und ein Steuergerät nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die oben genannte Aufgabe wird insbesondere gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung der Drehzahl der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine mit einer Geberscheibe, die mit einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine verbunden ist, wobei die Geberscheibe eine Markierung durch abwechselnde Anordnung von Zähnen und Zahnlücken aufweist, und wobei ein der Geberscheibe zugeordneter Geberein elektrisches Signal erzeugt, das mindestens zwei Signalpegel annehmen kann, wobei einer der Signalpegel einem Zahn und der andere einer Zahnlücke zugeordnet ist, bei dem die Drehzahl der Kurbelwelle durch das Steuergerät aus dem Winkel zwischen zwei Markierungen (n, n + m) geteilt durch die zwischen den beiden Markierungen verstrichene Zeit (TZn – TZn + m) ermittelt wird, wobei zwischen den beiden Markierungen (n, n + m) weitere (m) Markierungen liegen können und die Anzahl an Markierungen, die zwischen den beiden Markierungen (n, n + m) liegt, drehzahlabhängig ist. Die Drehzahl der Kurbelwelle wird anhand der während einem vorgegebenen Zeitraster eingelesenen Zahnzeiten ermittelt. Das Zeitraster der Berechnung wird in Abhängigkeit der Drehzahl angepasst. Die Anzahl der Zahnzeiten, die zur Mittelung der Drehzahl verwendet werden kann, ist variabel. Dadurch kann die Berechnung zwei Optimierungszielen optimal angepasst werden. Bei kleinen Drehzahlen ist der Einfluss der Winkelfehler der Zahnflanken gering. Somit kann über eine geringe Anzahl von Zahnflanken gemittelt werden, was eine gute Auflösung der in diesem Drehzahlbereich hohen Drehzahldynamik ermöglicht. Bei hohen Drehzahlen ist die mögliche Drehzahldynamik wesentlich geringer. Die Mittelung über eine höhere Anzahl von Zahnzeiten ist möglich und eliminiert den Einfluss von Winkelfehlern der Zahnflanken. Die letzte Mittelung der Zahnzeiten vor dem Ausgabezahn der Einspritzung erfolgt frühestens im Abstand eines Zeitrasters. Der Ausgabezahn bezeichnet den Zahn, an dem die Einspritzung abgesetzt wird. Die Zahnzeiten sind jeweils die Zeitpunkte, zu denen eine absteigende Zahnflanke eines Zahnes von dem Geber gemessen wird. Die Mittelung kann aktueller sein als eine Mittelung am Winkelraster (Synchro oder zweite Synchro). Besonders vorteilhaft ist dies für eine Einspritzausgabe auf Endwinkel an der TPU (hierbei wird der Beginnwinkel auf Basis der Einspritzzeit und der Drehzahl am Ausgabezahn aktualisiert).
Die Funktion einer Mittelung über eine variable Anzahl von Zähnen wird auf der Funktionsebene, mit der Anwender schicht des Steuergerätes, im Zeitraster durchgeführt. Dies stellt eine ressourcenschonende Alternative zur aufwändigen Lösung auf TPU-Ebene dar. Die Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann dadurch mit relativ geringem Aufwand erfolgen. Eine vergleichbare Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf Ebene der TPU (HW-Kapsel des Steuergerätes) würde demgegenüber einen vergleichsweise hohen Aufwand erfordern.
In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Anzahl an Markierungen, die zwischen den beiden Markierungen liegt, mit zunehmender Drehzahl größer wird. Bei langsamer Drehzahl ist der Fehler aufgrund der Dynamik dominant, weshalb eine schwache Mittelung in diesem Bereich notwendig ist. Bei hoher Drehzahl schwächt der Dynamikeinfluß ab, während die Toleranzen des Geberrads an Gewicht gewinnen. Deshalb ist eine über eine größere Zähnanzahl basierende Mittelung in diesem Bereich sinnvoll.
In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dadurch gekennzeichnet, dass die n + m -te Markierung mindestens eine Markierung vor der Markierung, die eine Einspritzung eines Zylinders der Brennkraftmaschine markiert, liegt. Die letztgenannte Markierung wird auch als Ausgabezahn bezeichnet. Die Drehzahl wird also erst kurz vor Absetzen der Einspritzung aktuell ermittelt, sodass die Einspritzung mit optimal auf die Drehzahl der Brennkraftmaschine angepassten Parametern erfolgen kann.
In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass der Zeitpunkt und eine Markierungsnummer der n-ten Markierung in einer ersten Speicherzelle des Steuergerätes abgelegt wird. Der Zeitpunkt und eine Markierungsnummer der n + m -ten Markierung können in einer Weiterbildung in einer zweiten Speicherzelle des Steuergerätes abgelegt werden, wobei der Inhalt der ersten Speicherzelle in einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens nach Berechnung der Drehzahl von dem In halt der zweiten Speicherzelle überschrieben wird. Diese Maßnahme optimiert den Resourcenverbrauch zur Durchführung des Verfahrens.
In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Markierungen Zahnflanken des Geberrades sind und der Geber die Zahnflanken induktiv, mittels Hall-Effekt oder kapazitiv misst.
Die Zahnflanken sind vorzugsweise im wesentlichen gleichmäßig über das Geberrad verteilt, wobei an dem Geberrad zusätzlich eine Nullmarkierung, z.B. in Form eines doppelt breiten Zahnes oder einer Doppelt breiten Zahnlücke (man lässt also einen Zahn oder eine Zahnlücke aus), angeordnet ist.
Das eingangs genannte Problem wird auch gelöst durch ein Steuergerät mit einem ausführbaren Steuerprogramm, das das erfindungsgemäße Verfahren ausführen kann.
Zeichnungen
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der nachstehenden Beschreibung anhand der zugehörigen Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
1 eine schematische Anordnung der Sensoren und der Geberscheibe;
2 eine schematische Darstellung des Signalverlaufs der Sensoren über der Zeit;
1 zeigt eine Skizze mit einer Geberscheibe 1, die beispielsweise unmittelbar an einer Kurbelwelle oder Nockenwelle angeordnet ist oder mittelbar mittels Getriebe elementen bezüglich der Rotation mit der Kurbel- bzw. Nockenwelle verbunden ist. Die Geberscheibe 1 rotiert um eine Achse 2. Am Außenumfang der Geberscheibe 1 sind Markierungen 3 angeordnet. Die Markierungen bestehen beispielsweise aus Zähnen 4, die jeweils äquidistant über den Außenumfang der Geberscheibe 1 angeordnet sind. Zwischen den Zähnen 4 sind jeweils Zahnlücken 8 angeordnet. Eine weitere Marke 5, beispielsweise wie hier dargestellt in Form eines doppelt so breiten Zahnes 4 oder in Form eines größeren Zahnabstandes zwischen zwei Zähnen 4 oder dergleichen, markiert eine ausgewiesene Nullstellung der Kurbel- bzw. Nockenwelle. An der Geberscheibe 1 ist ein Sensor 6 sowie angeordnet.
Bei einer Rotation der Nockenwelle und damit der Geberscheibe 1 werden jeweils die Zähne 4 sowie die Markierung 5 an dem Sensor 6 vorbeigeführt. Dadurch wird beispielsweise ein elektrisches Signal in dem Sensor 6 ausgelöst. Der Sensor 6 kann ein induktiver, Hall-Effekt-basierter oder kapazitiver Sensor sein. Alternativ kann dieser auch optisch arbeiten, z.B. indem dieser durch die Zähne 4 bzw. die Markierung 5 in hervorgerufene optische Veränderungen messen kann.
2 zeigt den Signalverlauf des Ausgangssignals S des Sensors 6 über der Zeit t. Das abwechselnde Vorbeiführen von Zähnen 4 und Zahnlücken 8 erzeugt bei dem Signalverlauf des Gebers 6 ein rechteckförmiges Signal, das einen Wert „High" sowie einen Wert „low" annehmen kann. Zwischen beiden Werten verläuft das Signal mit einer steigenden bzw. fallenden Flanke sprunghaft. Die übliche Auflösung des Winkels beträgt 6° Kurbelwellenwinkel (KW) und mit einer Lücke von 2 Winkeleinheiten sind 58 Zahn- oder Polpaare auf dem Geberrad aufgebracht.
Die Drehzahlbestimmung erfolgt derart, dass jeweils gleiche Flanken, hier z.B. jeweils die fallende Flanke, bestimmt werden. Jeder der Flanken kann durch abzählen seit der Nullmarkierung eindeutig eine Zahnflanke des Geberrades 1 zugeordnet werden. Beginnend mit einer Flanke Tzn, der der Zahn Zn zugeordnet ist, werden die nachfolgenden Flanken mit Tzn + 1, Tzn + 2 und so fort bezeichnet. Zwischen zwei aufeinander folgenden fallenden Flanken wurde das Geberrad um 6° weitergedreht. Die Drehzahl nmot des Geberrades und damit der Kurbelwelle beträgt nmot[1/mn] = (Zn – Zn + m ) × Zahnwinkel [°]/(TZn [ms] – Tzn + m [ms]) × (1/0,006 [°xmn/ms]).
Der Faktor 1/0,006 [°xmn/ms]dient der Umrechnung der in Millisekunden gemessenen Werte in eine Drehzahlangabe in 1/Minuten. Dabei bezeichnen

Nmot: die Motordrehzahl, die gleich der Kurbelwellendrehzahl bzw. Drehzahl des Geberrades ist
Zn: die n -te fallende Signalflanke (n ist eine ganze Zahl)
Zn + m: die n + m -te fallende Signalflanke (m ist eine ganze Zahl). Es wird also von der Zn -ten Signalflanke um m Signalflanken weitergezählt
TZn: der Zeitpunkt, zu dem die Zn -te Signalflanke gemessen wird
TZn + m: der Zeitpunkt, zu dem die Zn + m -te Signalflanke gemessen wird.
[]: bezeichnet jeweils die Einheiten, in denen die physikalischen Größen gemessen werden, als [°] = Winkel, [ms] = Millisekunden, [mn] = Minuten usw.

Die Zeitpunkte der negativen Flanken werden auf der Timer Processor Unit (TPU)-Ebene aus den durch den Drehzahlgeber gelieferten Signalen, diese sind als senkrechte Pfeile in 2 dargestellt, ermittelt und in einer RAM-Zelle zwischengespeichert. Zusätzlich wird die Zahnnummer aufgenommen. Diese Zelle wird durch die Anwenderschicht an jedem Zeitraster ZR, diese sind als gestrichelte Linie in 2 dargestellt, gelesen. Somit liegen Zeitpunkt und Bezeichnung des letzten gelesenen Zahnes vor. Auf der Anwenderschicht wird die mittlere Drehzahl berechnet. Zeitpunkt TZ_alt und Zahnnummer ZN_alt der Flanke vor dem letzten Zeitraster werden gespeichert. Die aktuellen Werte TZ_neu und ZN_neu werden eingelesen. Daraus ergibt sich für die Drehzahl: NMOT = (ZN_neu – ZN_alt) × Zahnwinkel/(TZ_neu – TZ_alt) × (1/0,006 [°xmn/ms)
Die Drehzahl wird der TPU zurückgemeldet. Sie ist gültig bis zum nächsten Zeitraster. Die alten Werte TZ alt und ZN_alt werden schließlich mit den neuen Werten überschrieben.

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Drehzahl der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine mit einer Geberscheibe (1), die mit einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine verbunden ist, wobei die Geberscheibe (1) eine Markierung (3) durch abwechselnde Anordnung von Zähnen (4) und Zahnlücken (8) aufweist, und wobei ein der Geberscheibe (1) zugeordneter erster Geber (6) ein elektrisches Signal erzeugt, das mindestens zwei Signalpegel (High, Low) annehmen kann, wobei einer der Signalpegel (High, Low) einem Zahn (4) und der andere einer Zahnlücke (8) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl der Kurbelwelle durch das Steuergerät aus dem Winkel zwischen zwei Markierungen (n, n + m) geteilt durch die zwischen den beiden Markierungen verstrichene Zeit (TZn – TZn + m) ermittelt wird, wobei zwischen den beiden Markierungen (n, n + m) weitere (m) Markierungen liegen können und die Anzahl an Markierungen, die zwischen den beiden Markierungen (n, n + m) liegt, drehzahlabhängig ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl an Markierungen (3), die zwischen den beiden Markierungen (n, n + m) liegt, mit zunehmender Drehzahl größer wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die n + m -te Markierung mindestens eine Markierung vor der Markierung, die eine Einspritzung eines Zylinders der Brennkraftmaschine markiert, liegt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt und eine Markierungsnummer der n-ten Markierung in einer ersten Speicherzelle des Steuergerätes abgelegt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt und eine Markierungsnummer der n + m -ten Markierung in einer zweiten Speicherzelle des Steuergerätes abgelegt wird.
Verfahren nach einem der beiden vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Inhalt der ersten Speicherzelle nach Berechnung der Drehzahl von dem Inhalt der zweiten Speicherzelle überschrieben wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Markierungen Zahnflanken des Geberrades sind und der Geber die Zahnflanken induktiv, mittels Hall-Effekt oder kapazitiv misst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnflanken im wesentlichen gleichmäßig über das Geberrad verteilt sind, wobei an dem Geberrad zusätzlich eine Nullmarkierung angeordnet ist.
Steuergerät mit einem ausführbaren Steuerprogramm, das ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausführen kann.