-
Stand der
Technik
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines
ersten Winkels einer sich drehenden Welle, insbesondere einer Kurbelwelle
einer Brennkraftmaschine, zu dem ein Prozess eines Steuergerätes gestartet
wird, wobei ein zweiter Winkel und eine Zeitdauer des Prozesses
bekannt sind und wobei die Zeitdauer anhand einer Winkelgeschwindigkeit
in einen überstrichenen
Winkel umgerechnet wird, wobei der erste Winkel aus der Summe oder
Differenz von zweitem Winkel und überstrichenem Winkel ermittelt
wird. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Steuergerät für eine Brennkraftmaschine.
-
In
Steuerungen von Arbeitsmaschinen wie z.B. Brennkraftmaschinen laufen
Prozesse oder Tasks als Softwareprogramme zur Steuerung von Ereignissen
wie einem Einspritzbeginn, einer Zündung einer Zündkerze,
dem Öffnen
von elektrohydraulisch gesteuerten Ventilen und dergleichen mehr
ab. Der Prozess startet an einem bestimmten Kurbelwellenwinkel und
läuft beispielsweise über eine
bekannte Prozesslaufzeit, an deren Ende z.B. ein Ausgabesignal steht.
Bekannt sind dann der Kurbelwellenwinkel zu Beginn sowie die Zeitdauer
der Prozesslaufzeit. Da Steuergeräte nach Stand der Technik in
der Regel mit Kurbelwellenwinkeln zur Ansteuerung von Ausgabekanälen arbeiten
wird die Prozesslaufzeit mit der aus der Drehzahl der Kurbelwelle
bekannten Winkelgeschwindigkeit in einen Drehwinkel, der in der
Prozesslaufzeit überstrichen
wird, umgerechnet. Ändert
sich die Drehzahl der Kurbelwelle innerhalb der Prozesslaufzeit,
so wird der Endwinkel fehlerhaft bestimmt. Nach Stand der Technik
erfolgt eine erneute Ermittlung der Winkelgeschwindigkeit zu festgelegten
Kurbelwellenwinkeln.
-
Bei
Verfahren nach Stand der Technik werden zum Einen Winkelgeschwindigkeiten
zu Zeiten bzw. Kurbelwellenwinkeln bestimmt, zu denen dies nicht
notwendig ist, zum Anderen kann der zeitliche Abstand einer Neuermittlung
der Winkelgeschwindigkeit zum Ende eines Prozesses so lang sein,
dass sich die Drehzahl der Kurbelwelle signifikant geändert hat.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein verfahren und
ein Steuergerät
anzugeben, die eine ressourcenschonende und genauere Berücksichtigung
von Drehzahländerungen
ermöglicht.
-
Dieses
Problem wird gelöst
durch ein Verfahren zur Bestimmung eines ersten Winkels einer sich drehenden
Welle, insbesondere einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine,
zu dem ein Prozess eines Steuergerätes gestartet wird, wobei ein
zweiter Winkel und eine Zeitdauer des Prozesses bekannt sind und
wobei die Zeitdauer anhand einer Winkelgeschwindigkeit in einen überstrichenen
Winkel umgerechnet wird, wobei der erste Winkel aus der Summe oder
Differenz von zweitem Winkel und überstrichenem Winkel ermittelt
wird, wobei eine erneute Bestimmung der Winkelgeschwindigkeit zu
dynamisch festgelegten Winkeln erfolgt. Der erste Winkel wird aus
dem zweiten Winkel durch vorzeichenrichtige Addition bzw. Subtraktion
des überstrichenen
Winkels bestimmt. Der Prozess kann ein beliebiger Vorgang, der z.B.
von Teilen der Vorrichtung ausgeführt wird, sein. Beispielsweise
kann der Prozess bei einer Brennkraftmaschine die Ansteuerung eines
Stellers wie eines Einspritzventils, eines elektrohydraulisch betätigten Gaswechselventils,
einer Drosselklappe oder dergleichen sein. Der erste Winkel sowie
der zweite Winkel kann ein Anfangs- oder Endwinkel oder ein sonstwie
definierbarer Winkel sein. Der Winkel ist bevorzugt ein Kurbelwellenwinkel
der Brennkraftmaschine. Das Verfahren kann aber ebenso beispielsweise
bei einem Steller (Aktor, Aktuator) oder beliebigen Arbeitsmaschinen
mit einer rotierenden Welle eingesetzt werden. Der Prozess läuft vorzugsweise
in einem Steuergerät
einer Brennkraftmaschine, vorzugsweise als Softwareprogramm, ab.
Die Zeitdauer des Prozesses ist beispielsweise die Ansteuerzeit
eines Stellers. Beispielsweise kann das Verfahren verwendet werden,
um an einem Anforderungswinkel aus gegebenem Endwinkel und gegebener
vorgelagerter Zeitdauer einen Anfangswinkel zu berechnen. Das Verfahren
findet dann Anwendung zwischen Anforderungswinkel und Anfangswinkel. An
einem Anforderungswinkel kann auch direkt ein Endwinkel aus vorgegebener
Zeitdauer berechnet werden. Das Verfahren findet dann zwischen Anforderungswinkel
und Endwinkel Anwen dung. Ebenso kann an einem Anforderungswinkel
aus gegebenem Anfangswinkel und gegebener Zeitdauer ein Endwinkel
berechnet. Das Verfahren findet dann Anwendung zwischen Anfangswinkel
und Endwinkel.
-
In
einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die erneute Bestimmung
der Winkelgeschwindigkeit zu von dem Prozesses festgelegten Winkeln
erfolgt. Umfasst der Prozess ein Softwareprogramm eines Steuergerätes, das
während
des Prozesses ausgeführt
wird, so kann der Prozess selbst Winkel zur Neubestimmung der Winkelgeschwindigkeit
vorgeben.
-
In
einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Neuberechnung in äquidistanten
Winkeln erfolgt. Es wird dabei also von vornherein ein Winkelabstand vorgegeben,
zu dem die Neuberechnung erfolgen soll. Dabei ist vorzugsweise vorgesehen,
dass die Abstände
der äquidistanten
Winkel betriebspunktabhängig
sind.
-
In
einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die erneute Bestimmung
der Winkelgeschwindigkeit in einem konstanten Winkelabstand zum
ersten Winkel des Prozesses erfolgt. In einer Weiterbildung ist vorgesehen,
dass die erneute Bestimmung der Winkelgeschwindigkeit in einem konstanten
Winkelabstand zum zweiten Winkel des Prozesses erfolgt.
-
Der
konstante Winkelabstand kann dabei betriebspunktabhängig sein.
Ebenso kann der Winkelabstand bei Annäherung an den ersten Winkel und/oder
zweiten Winkel verringert werden. Die Bestimmung der Winkelgeschwindigkeit
wird also mit Annäherung
an ersten bzw. zweiten Winkel verfeinert du damit genauer, insbesondere
im Falle instationärer
Vorgänge
mit starker Änderung
der Winkelgeschwindigkeit.
-
Das
eingangs genannte Problem wird auch gelöst durch ein Steuergerät, insbesondere
ein Steuergerät
einer Brennkraftmaschine, mit Mitteln zur Bestimmung eines ersten
Winkels einer sich drehenden Welle, insbesondere einer Kurbelwelle
einer Brennkraftmaschine, zu dem ein Prozess eines Steuergerätes gestartet
wird, wobei ein zweiter Winkel und eine Zeitdauer des Prozesses
bekannt sind und wobei die Zeitdauer anhand einer Winkelgeschwindigkeit
in einen überstrichenen
Winkel umgerechnet wird, wobei der erste Winkel aus der Summe oder Differenz
von zweitem Winkel und überstrichenem Winkel
ermittelt wird, wobei eine erneute Bestimmung der Winkelgeschwindigkeit
zu dynamisch festgelegten Winkeln erfolgt.
-
Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
-
Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläuter. Dabei
zeigen:
-
1 eine
schematische Anordnung der Sensoren und der Geberscheibe;
-
2 eine
schematische Darstellung des Signalverlaufs des Sensors über der
Zeit;
-
3 eine
schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung;
-
4 ein
Ablaufdiagramm des Verfahrens.
-
Ausführungsform
der Erfindung
-
Das
nachfolgende Ausführungsbeispiel
wird anhand einer Brennkraftmaschine erläutert, wobei der Winkel ein
Kurbelwellenwinkel ist. 1 zeigt eine Skizze mit einer
Geberscheibe 1, die beispielsweise unmittelbar an einer
Kurbelwelle angeordnet ist oder mittelbar mittels Getriebeelementes
bezüglich
der Rotation mit der Kurbel- bzw. Nockenwelle verbunden ist. Die
Geberscheibe 1 rotiert um eine Achse 2. Am Außenumfang
der Geberscheibe 1 sind Geberradmarken 3 angeordnet.
Die Geberradmarken 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 Geberradlücke 5,
beispielsweise wie hier dargestellt in Form eines doppelt so breiten
Zahnabstandes 4, eines breiteren oder doppelt so breiten
Zahnes oder dergleichen, markiert eine ausgewiesene Nullstellung
der Kurbelwelle. An der Geberscheibe 1 ist ein Sensor 6 angeordnet,
der ein elektrisches Signal liefert, das in Form z.B. eines Rechtecksignals
die Zähne
und Zahnlücken
bzw. Geberradlücke
repräsentiert.
Bei einer Rotation der Nockenwelle und damit der Geberscheibe 1 werden
jeweils die Zähne 4 sowie
die Geberradlücke 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.
-
Aus
dem Zeitabstand Δt
zwischen zwei fallenden oder steigenden Flanken, in 2 ist
hier beispielsweise der Zeitabstand zwischen zwei fallenden Flanken
eingezeichnet, kann die Winkelgeschwindigkeit ω der Kurbelwelle bestimmt werden, ω = Δϕ/Δt. Wird der
Verlauf der Winkelgeschwindigkeit über mehrere Zahnzeiten berücksichtigt,
so kann dieser Wert durch Berücksichtigung
eines Gradienten der Winkelbeschleunigung zwischen mehreren Zähnen, z.
B. durch eine lineare Interpolation, noch genauer erfasst werden.
Im Stand der Technik erfolgt eine Neuberechnung von ω zu fest
vorgegebenen Kurbelwellenwinkeln ϕn.
Zum einen erfolgt eine Berechnung der Winkelgeschwindigkeit bei
der Anforderung des Prozesses (auch als Task bezeichnet) bei einem
Kurbelwellenwinkel ϕ0, danach erfolgt
eine Neuberechnung zu fest vorgegebenen Winkelmarken ϕ1, ϕ2, usw.
Der Abstand einer Neuberechnung zum Ende des Prozesses, dieses Ende
ist mit ϕE bezeichnet, kann dabei
recht groß werden,
so dass innerhalb des Prozesses mit einer ungenauen Winkelgeschwindigkeit ω gerechnet
wird sobald sich diese ändert.
-
In 3 dargestellt
ist ein Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ausgehend vom Kurbelwellenwinkel ϕ0 wird
mit bekannter Winkelgeschwindigkeit ω und der von einem hier nicht
dargestellten Steuergerät
vorgegebenen Ausführungsdauer ΔtP für
den Prozess eine Endzeit tE und aus dieser
ein Endwinkel ϕE = ϕ0 + ω·ΔtP bestimmt. Gleichzeitig wird ein Winkel ϕ1 bestimmt, zu dem eine Neuberechnung der
Winkelgeschwindigkeit ω erfolgen
soll. Dazu wird eine vorgegebene Zeitdauer Δt'P multipliziert
mit der bekannten Winkelgeschwindigkeit ω verwendet, um den Kurbelwellenwinkel ϕ1 = Δt'P·ω zu bestimmen,
zu dem die Neuermittlung von ω erfolgen
soll. Bei dem Kurbelwellenwinkel ϕ1 wird
nunmehr ein Wert ω1 bestimmt. Bei dem Kurbelwellenwinkel ϕ1 ist die Zeitdauer Δt2 bekannt,
zu der der Prozess ausgehend von der Zeit t(ϕ1)
beendet ist. Mit der im Zeitpunkt ϕ1 ermittelten Winkelgeschwindigkeit ωt und der
Zeitdauer bis zum Ende des Prozesses Δt2 wird
ein Winkel ϕE1 bestimmt, bei dem
der Prozess bei der aktuellen Winkelgeschwindigkeit ω1 beendet wird. Gleichzeitig wird mit einer
weiteren Zeit Δt''·ω1 ein weiterer Winkel ϕ2 bestimmt,
zu dem eine erneute Bestimmung der Winkelgeschwindigkeit erfolgen
soll, dieser Wert ist hier als ϕ2 bezeichnet.
Ausgehend vom Winkel ϕ 2 und
der dort ermittelten Winkelgeschwindigkeit ω2 wird
mit einer Restlaufzeit Δt3 ein Endwinkel ϕE2 = Δt3·ω2 bestimmt.
-
Ausgehend
vom Beginn des Prozesses zum Kurbelwellenwinkel ϕ0 werden also jeweils Zwischenwinkel ϕ1 und ϕ2 bestimmt,
zu denen eine Neubestimmung der Winkelgeschwindigkeit ω erfolgt,
wobei sowohl die Zeitabstände Δt' als auch Δt'' ausgehend vom Winkel ϕ0 bekannt sind. Dabei können die Zeiten Δt' und Δt'' jeweils aneinander gehängt werden,
wie dies im Ausführungsbeispiel
der 3 dargestellt ist, oder beide vom Winkel ϕ0 aus gezählt
werden. In jedem Fall ist die Restlaufzeit des Prozesses vom Winkel ϕ1 bzw. Winkel ϕ2 an
bekannt, so dass ausgehend von diesen Winkeln mit der jeweils aktuellen
Winkelgeschwindigkeit ein Endwinkel ϕE1, ϕE2 bestimmt werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren
wurde hier dargestellt anhand zweier Winkel ϕ1, ϕ2, die zwischen dem Beginn des Prozesses ϕ0 und dem Ende des Prozesses ϕE eingefügt
wurden. Hier kann eine beliebige Anzahl von Winkeln eingefügt werden,
beispielsweise auch ein Winkel oder mehr als zwei Winkel.
-
Die
Zeiten Δt', Δt'' und so fort bis Δt(n,),
zu denen eine Neuberechnung der Winkelgeschwindigkeit ω erfolgt,
sind nicht fest in einem Steuergerät einprogrammiert, sondern
werden beispielsweise von dem Prozess, der zwischen ϕ0 und ϕE abläuft, dynamisch vorgegeben. Ändert sich
beispielsweise die Zeit ΔtP, die zwischen ϕ0 und ϕE vergeht, so können die Zeiten Δt' und Δt'' entsprechend angepasst werden. Auf
diese Weise erfolgt die Neuberechnung der Winkelgeschwindigkeit ω variabel,
abhängig
von der Prozesslaufzeit ΔtP. Ebenso ist es möglich, die Zeiten Δt' und Δt'' betriebspunktabhängig anzugeben, beispielsweise
also abhängig
von der Drehzahl oder einem Lastpunkt der Brennkraftmaschine. Des
Weiteren ist es möglich,
insbe sondere bei einer Vielzahl von Winkeln ϕ1, ϕ2 , usw., eine mit Annäherung an den Endwinkel ϕE häufiger
werdende Neuberechnung von ω vorzunehmen.
-
Die
Neuberechnung kann auch in äquidistanten
Abständen
zwischen ϕ0 und ϕE erfolgen, bei drei Neuberechnungen gilt
hier ϕ1 = 1·ϕ0 +
(ϕE – ϕ0)/4; ϕ2 = 2·ϕ0 + (ϕE – ϕ0)/4; ϕ3 = ϕ0 + 3·(ϕE – ϕ0)/4.
-
Statt äquidistanter
Winkelabstände
können diese
auch anhand eines Gütekriteriums,
das z. B. aus dem Gradienten dω/dt
ermittelt wird, kontinuierlich neu ermittelt werden. Ebenso ist
es möglich,
den Winkelabstand zwischen den Neuberechnungen bei Annäherung an
den Signalbeginn bzw. an das Ende des Prozesses bei dem Kurbelwellenwinkel ϕE kontinuierlich zu reduzieren. Schließlich ist
es möglich, eine
einzige Neuberechnung mit optimalem Abstand zum Signalbeginn vorzunehmen,
wobei eine Fehlerminimierung unter Einbeziehung des Systemverhaltens
erreicht wird. Der Zeitpunkt der Zeit-Winkeltransformation wird
so gewählt,
dass der Fehler, der aus der erstmaligen Berechung des Winkels mit
nicht aktueller Winkelgeschwindigkeit resultiert, nicht dazu führt, dass
der gewünschte
Signalbeginn zum Zeitpunkt der Neuberechnung bereits in der Vergangenheit
liegt. Dazu ist es notwendig, den maximalen Drehzahlgradienten,
die Zeitdauer (Ansteuerzeit) oder andere Einflussgrößen zu berücksichtigen.
-
In 4 ist
ein Ablaufdiagramm des Verfahrens dargestellt. Ein Prozess, auch
als Task bezeichnet, eines Steuergerätes beginnt in Schritt 101 bei
einem Winkel ϕ0. Bekannt ist die
Dauer des Prozesses ΔtP. Mit dieser Dauer wird in Schritt 102 mit
der bei dem Winkel ϕ0 vorliegenden
Winkelgeschwindigkeit ω der
Endwinkel ϕE, zu dem der Prozess
beendet ist, mit ϕE = ϕ0 + ω ΔtP ermittelt. In Schritt 103 wird
der Winkel ϕ1 = ϕ0 + Δt'P·ω ermittelt.
Sobald der Winkel ϕ1 erreicht wurde,
wird an dieser Stelle in Schritt 104 die Winkelgeschwindigkeit ω1 ermittelt. In Schritt 105 wird
daraus der Endwinkel ϕE1 = ϕ0 + ΔtP·ω1 ermittelt. In Schritt 106 wird
der Winkel ϕ2 ermittelt, in Schritt 107 die
Winkelgeschwindigkeit ω2 zum Winkel ϕ2 und in
Schritt 108 der Endwinkel des Prozesses ϕE2 entsprechend der Bestimmung von ϕ1, ω1 und ϕE1 in Schritt 105.
Die Bestimmung des Winkels ϕ2 ist
unabhängig
von der Berechnung des Winkels ϕ1 diese kann
von Schritt 102 ausgehend auch parallel zur Bestimmung
von ϕ1, erfolgen, wie durch eine
gestrichelte Linie zwischen den Schritten 102 und 106 in 4 angedeutet
ist.