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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bereitstellen
eines kurbelwinkelbezogenen Sensorsignals zum Steuern des Betriebs
eines Kraftfahrzeugs. Die Steuerung des Betriebs des Kraftfahrzeugs
umfasst dabei insbesondere die Ansteuerung seiner Aggregate Verbrennungsmotor, Kupplung,
Starter-Generator, Getriebe, Bremseinrichtung, Fahrwerk und dergleichen.
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Die
steigenden Anforderungen an die Emissionen von Verbrennungsmotoren
von Kraft- und Nutzfahrzeugen erfordern in zunehmendem Maße Steuerungsverfahren,
die eine gezielte Beeinflussung des zeitlichen Verlaufs des Verbrennungsvorgangs
beinhalten. Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft immer mehr Sensorinformationen
integriert werden müssen,
um die Potenziale der Beeinflussung des Verbrennungsvorgangs nutzen
zu können. Hierzu
ist es erforderlich, die Informationen über den Verbrennungsprozess
mit einer vergleichbaren Genauigkeit und zeitlichen Auflösung wie
die Ansteuerung moderner Einspritzsysteme zu erfassen. Damit eröffnet sich
die Möglichkeit
einer Ablösung
der bezüglich
Applikation aufwändigen,
kennfeldgeführten Steuerung
der Verbrennung durch eine Regelung auf der Basis von Brennrauminformationen.
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Um
einen Verbrennungsmotor zu regeln, sind der Kurbelwinkel und die
daraus abgeleitete Drehzahl unverzichtbare Eingangsgrößen des
Motorsteuergeräts.
Für die
Erfassung des Kurbelwinkels ist die Verwendung von Geberrädern bekannt,
die auf der Kurbelwelle positioniert sind und deren Zahnflanken über Induktiv-
oder Hallsensoren erfasst werden. Das Motorsteuergerät wertet
dabei üblicherweise
die fallende Flanke des Sensorsignals aus.
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Als
Bezugsmarke verfügen
solche Geberräder
zum Beispiel über
eine oder mehrere Zahnlücken oder
fehlende Lücken.
Bei der Anmelderin kommen beispielsweise Geberräder mit 58 Zähnen und
einer 2 Zähne
umfassenden Lücke
zum Einsatz (so genannte 60-2 Geberräder). Das Motorsteuergerät erkennt
die (fehlende) Lücke
und verfügt
somit zusätzlich
zu den 6°-Impulsflanken
(360°/60)
alle 360° über eine
absolute Winkelmarke. Außerdem
werden im Motorsteuergerät
die fehlenden Flanken während
der Zahnlücke
durch Software-Algorithmen zum Beispiel durch Interpolation „nachgebildet", um auch in diesem
Bereich Sensorsignalumsetzungen, Aktoransteuerungen o.dgl. anstoßen zu können. Weiter
ist es möglich,
die Auflösung
der Kurbelwinkelerfassung zwischen zwei Zahnflanken durch eine Impulsvervielfachung
(z.B. mit einer PLL) von 6° auf
zum Beispiel 0,1° zu
erhöhen.
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In
der
DE 102 37 221
A1 werden ein Verfahren und eine Vorrichtung beschrieben,
bei denen eine Betriebskenngröße (z.B.
der Brennraumdruck) mit hoher Auflösung zeitbasiert erfasst und
mit Hilfe eines zeit- und winkelbasierten Kurbelwinkelsignals von
geringer Auflösung
unter Interpolation auf Kurbelwinkelbasis transformiert und dem
OT des jeweiligen Zylinders in Vielfachen eines frei wählbaren
Winkelinkrements zur Interpolation mit hoher Winkelauflösung zuordnet,
wobei die Berücksichtigung
von drehzahl- und/oder winkelabhängigen
Korrekturwerten vorgesehen ist. Die Korrekturwerte werden bevorzugt
in definierten Lastzuständen
ohne durch den Betrieb bewirkte Drehzahlschwankungen, wie z.B. im Schubbetrieb,
ermittelt. Die drehzahl- oder winkelabhängigen Korrekturwerte dienen
daher nur der Korrektur von quasi-statischen Fehlern sowohl im Zeit- als
auch im Winkelbereich (z.B. Zahnteilungsfehler, Filterlaufzeiten
bzw. Phasengang, Verzögerungen auf
Drehzahlgebersignal, A/D-Umsetzzeiten).
Fehler aufgrund von Drehzahländerungen
werden hier nicht berücksichtigt.
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Die
Fertigung und der Einbau von Geberrädern sind toleranzbehaftet.
Insbesondere ein geometrischer Zahnteilungsfehler führt zu einem
systematischen, für
jedes Geberrad individuellen Drehzahlfehler. Die Korrektur dieser
Geometriefehler des Geberrades wird zum Beispiel in „Kompensation
des Geberradfehlers im Fahrbetrieb"" MTZ
7-8/2002, Jahrgang 63, Seiten 588-591, beschrieben. Eine durch Drehzahländerungen
bzw. einen Drehzahlgradienten notwendige Korrektur der Sensorsignale
ist durch diese Verfahren jedoch nicht möglich.
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Weiter
ist auch die Kompensation von drehzahlabhängigen Fehlern mittels Korrekturkennlinien bereits
Stand der Technik. Ein Beispiel für eine drehzahlabhängige Winkelabweichung,
die über
eine Korrekturkennlinie kompensiert werden kann, offenbart zum Beispiel
die Technische Kundenunterlage TKU, Positionsgeber Kurbelwelle,
AB Typ 94 441, AB Elektronik GmbH 2003, S. 8(12).
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Eine
winkelorientierte Erfassung, Verwaltung und Auswertung von Sensorsignalen
wird derzeit bei der Klopfsensorauswertung insbesondere bei Ottomotoren
angewendet, wie dies zum Beispiel dem Datenblatt CC195, Bosch, S2,
entnehmbar ist.
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Ausgehend
von dem vorgenannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der Erfindung,
ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bereitstellen eines kurbelwinkelbezogenen
Sensorsignals zum Steuern des Betriebs eines Kraftfahrzeugs zu entwickeln,
die eine verbesserte Genauigkeit des Kurbelwinkelbezugs der Sensorsignale
erreichen.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bereitstellen
eines kurbelwinkelbezogenen Sensorsignals zum Steuern des Betriebs
eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. 8 gelöst.
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Zum
Bereitstellen eines kurbelwinkelbezogenen Sensorsignals zum Steuern
des Betriebs eines Kraftfahrzeugs werden zunächst parallel ein Sensorsignal
einer Betriebsgröße des Kraftfahrzeugs
und ein Kurbelwinkelsignal erfasst, und aus diesen wird das kurbelwinkelbezogene
Sensorsignal erzeugt, das einer entsprechenden Steuerung zugeführt werden
kann. Parallel wird aus einem aktuell erfassten Kurbelwinkelsignal
und wenigstens einem zuvor erfassten Kurbelwinkelsignal ein Drehzahlgradient
bestimmt, mit dessen Hilfe das erzeugte kurbelwinkelbezogene Sensorsignal
korrigiert wird.
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Durch
diese Vorgehensweise ist es möglich, den
absoluten Winkelbezug der Sensorsignale deutlich über die
Genauigkeit und Auflösung
herkömmlicher
Kurbelwinkel-Gebersysteme hinaus zu steigern. Bei dieser Erhöhung der
Genauigkeit der kurbelwinkelbezogenen Sensorsignale bleibt außerdem die zusätzliche
Belastung eines Mikrorechners im Motorsteuergerät in akzeptablen Grenzen.
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Die
Sensorsignale werden üblicherweise über ein
bestimmtes Winkelfenster (z.B. Bereich der Verbrennung im Zylinder)
erfasst und en Block weiterverarbeitet (z.B. Berechnung von Verbrennungsmerkmalen).
Die Berechnungsergebnisse fließen dann
in die Ansteuerung der Aktorik (z.B. Zündung oder Einspritzung) ein.
Die erfindungsgemäße Lösung erlaubt
die Korrektur des Winkelbezugs der Sensorsignale in einem oder mehreren
Nachbearbeitungsschritten. Dadurch wird der Winkelbezug der winkelsynchron
erfassten Sensorsignale (z.B. Brennraumdruck, Klopfsensorsignal,
Ionenstrom, ...) deutlich verbessert, was wiederum eine deutliche
Verbesserung der Reproduzierbarkeit und Gleichstellung der Verbrennung
in den einzelnen Zylindern des Verbrennungsmotors zur Folge hat.
Dies führt
schließlich
zu einer Verbesserung des Motorwirkungsgrades und einer Reduzierung
von Emissionen.
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Obige
sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der
nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten, nicht-einschränkenden
Ausführungsbeispiels
der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen
besser verständlich.
Darin zeigen:
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1 ein
schematisches Diagramm zur Erläuterung
eines Abtastfehlers des Kurbelwinkelsignals bei Verwendung eines
herkömmlichen
Kurbelwinkel-Gebersystems;
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2 eine
schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Korrektur
des kurbelwinkelbezogenen Sensorsignals; und
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3 ein
Blockschaltbild eines Aufbaus einer Vorrichtung zum Bereitstellen
eines kurbelwinkelbezogenen Sensorsignals zum Steuern des Betriebs eines
Kraftfahrzeugs gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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Anhand
von 1 wird zunächst
beispielhaft ein Abtastfehler des Kurbelwinkelsignals erläutert, wie
er sich bei einem herkömmlichen
Kurbelwinkel-Gebersystem im Fall einer Drehzahländerung ergeben würde.
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Auf
der Abszisse ist der Kurbelwinkel in Grad aufgetragen, auf der linken
Ordinate ist die Motordrehzahl in U/min aufgetragen, und auf der
rechten Ordinate ist der Abtastfehler in Grad Kurbelwinkel (°KW) aufgetragen.
Unterhalb dieses Diagramms ist zusätzlich ein erfasstes Kurbelwinkelsignal
dargestellt. Im Motorsteuergerät
wird üblicherweise
anhand der aktuellen und der letzten Zahnflanke des Geberrades die
aktuelle Motordrehzahl berechnet. Bei einem 60-2 Geberrad wird daher
alle 6°KW
ein neuer Drehzahlwert berechnet (siehe Zahnsegment A von 6°KW), ausgenommen
in der Zahnlücke
B von 18°KW.
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Die
Kurve a zeigt eine berechnete konstante Drehzahl von 1.590 U/min,
die in der Zahnlücke
zugrunde gelegt wird. Die Kurve b zeigt den tatsächlichen Drehzahlverlauf bei
einem angenommenen Drehzahlgradienten von 4.000 rad/s2 (entspricht
ca. 230.000 °KW/s2) und einer Startmotordrehzahl von etwa
1.600 U/min bei 0°KW,
und die Kurve c zeigt schließlich
den sich ergebenden Abtastfehler.
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Die
Sensorsignale werden winkelsynchron mit einer Winkelauflösung von
zum Beispiel 0,5°KW abgetastet.
Der A/D-Signalumsetzer
wird dabei üblicherweise
von einem vom Geberrad abgeleiteten Signal (über Signalaufbereitung, Flankenerfassung, evt.
Flankenkorrektur und Impulsvervielfachung) getriggert. Da nur alle
6°KW an
einer abfallenden Zahnflanke ein neuer Drehzahlwert berechnet werden kann,
verfälscht
ein Drehzahlgradient den 0,5°KW-Winkelbezug
der erfassten Sensorsignale.
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Wie
in 1 veranschaulicht, ergibt sich bei einem Drehzahlgradienten
von 4.000 rad/s2 und einem Zahnsegment von
6°KW ein
maximaler Fehler im Winkelbezug der abgetasteten Sensorsignale von etwa
0,1°KW (entspricht
einem Fehler von 20%). In der Zahnlücke B von 18°KW ergibt
sich dagegen ein maximaler Fehler im Winkelbezug der abgetasteten Sensorsignale
von über
0,5°KW,
was einem Fehler von 100% entspricht.
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2 zeigt
in einem Zeitablaufdiagramm schematisch die drehzahlgradienten-abhängige Korrektur
des Winkelbezugs von Sensorsignalen gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Im
Motorsteuergerät
werden auf der Basis der jeweils letzten beiden Zahnflanken des
Geberrades die aktuelle Drehzahl und der Drehzahlgradient berechnet,
und durch eine Impulsvervielfachung wird die Auflösung der
Kurbelwinkelerfassung erhöht.
Mit diesem System der Erfindung ist es möglich, bei Verwendung eines
60-2 Geberrades zum Beispiel alle 0,5°KW ein Sensorsignal zu erfassen
oder den Einspritzbeginn mit einer Auflösung von zum Beispiel 0,5°KW anzusteuern.
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Da
die Motordrehzahl bei herkömmlichen Kurbelwinkel-Gebersystemen
erst im nachfolgenden Zahnsegment berechnet werden kann, ist eine
Korrektur des Winkelbezugs der Sensorsignale unmittelbar nach Abtastung
der Sensorsignale nicht möglich. Es
ist lediglich möglich,
die Motordrehzahl von vorangegangenen Zahnsegmenten für die Korrektur
der Abtastzeitpunkte heranzuziehen. Bei abrupten Änderungen
der Motordrehzahl kann jedoch der Fehler größer als bei nicht korrigierenden
Verfahren werden.
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Bei
der erfindungsgemäßen Lösung werden im
Gegensatz dazu jedoch die Kurbelwinkelsignale abgetastet und gespeichert.
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Nach
jeder Zahnflanke wird unter Berücksichtigung
der letzten Zahnflanke der Drehzahlgradient für das entsprechende Zahnsegment
berechnet. Aus dem Drehzahlgradienten (und ggf. weiteren Werten)
wird ein Korrekturwert für
den Winkelbezug der abgetasteten Sensorsignale ermittelt, und die
im entsprechenden Zahnsegment abgetasteten Sensorsignale werden
z.B. durch lineare Interpolation korrigiert und können dann
zur weiteren Verarbeitung (z.B. Berechnung von Verbrennungsmerkmalen)
herangezogen werden.
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Da
die kurbelwinkelbezogenen Sensorsignale (beispielsweise Klopf-,
Zylinderdruck- oder Ionenstromsignale) üblicherweise zunächst als
Block erfasst und als Vektor weiterverarbeitet werden, stellt die
erfindungsgemäße Lösung ein
einfaches, Rechenzeit und Ressourcen schonendes Verfahren dar, das
problemlos in Mikrorechnern heutiger Motorsteuergeräte implementiert
werden kann, ohne dass ein aufwändigeres
Geberradsystem mit größerer Auflösung zur
Erfassung des Kurbelwinkels erforderlich wäre.
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In 3 ist
ein Aufbau einer Vorrichtung zum Durchführen des oben beschriebenen
Verfahrens gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung als Blockschaltbild dargestellt.
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Die
Bezugsziffer 10 bezeichnet ein Motorsteuergerät für einen
Verbrennungsmotor (nicht dargestellt) eines Kraft- oder Nutzfahrzeugs.
Diesem Motorsteuergerät 10 werden
von entsprechenden Winkelsensoren 12 erfasste Kurbelwinkelsignale
eingegeben, die zunächst
in einer Signalaufbereitungseinrichtung 14 zur weiteren
Auswertung aufbereitet werden. In einer Flankenerfassungseinrichtung 16 werden
die Zahnflanken der erfassten Kurbelwinkelsignale erfasst; es folgt
optional eine Flankenkorrektur 18 und eine Impulsvervielfachung 20.
Aus den so bearbeiteten Kurbelwinkelsignalen wird in einer Berechnungseinrichtung 22 eine
aktuelle Drehzahl berechnet, welche an die Steuerung 24 weitergegeben wird.
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Neben
der Berechnung der aktuellen Drehzahl erfolgt in einer weiteren
Berechnungseinrichtung 26 auch eine Berechnung eines aktuellen
Drehzahlgradienten, wie oben im Detail erläutert, welcher dann der Steuerung 24 zugeführt und
in einem Speicher 28 gespeichert wird.
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Parallel
zur Erfassung der Kurbelwinkelsignale durch die Winkelsensoren 12 erfassen
verschiedene Motorsensoren 30 verschiedene Sensorsignale von
Betriebsgrößen des
Kraftfahrzeugs (z.B. Klopfsignale, Brennraumdrucksignale, Ionenstromsignale, usw.).
Diese Sensorsignale werden zunächst
in einer Signalaufbereitungseinrichtung 32 aufbereitet,
bevor sie einem A/D-Signalumsetzer 34 zugeführt und
in einem Speicher 36 gespeichert werden. In diesem Speicher 36 werden
außerdem
die Kurbelwinkelsignale gespeichert, die eine Winkelzuordnung der
gespeicherten Sensorsignale der Motorsensoren 30 ermöglichen.
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Die
kurbelwinkelbezogenen Sensorsignale aus dem Speicher 36 werden
einer Korrektureinrichtung 38 zugeführt, in der sie unter Verwendung
des bestimmten Drehzahlgradienten, der aus dem Speicher 28 zugeführt wird,
in der oben erläuterten
Weise korrigiert werden. Aus den so korrigierten, kurbelwinkelbezogenen
Sensorsignalen werden dann in einer weiteren Berechnungseinrichtung 40 zum
Beispiel Verbrennungsmerkmale des Verbrennungsmotors berechnet,
welche schließlich
ebenfalls der Steuerung 24 zugeführt werden.
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Der
Steuerung 24 nachgeschaltet, enthält das Motorsteuergerät 10 in
bekannter Weise Endstufen 42, die schließlich verschiedene
Aktoren 44 des Verbrennungsmotors entsprechend den in der
Steuerung 24 ausgewerteten kurbelkwinkelbezogenen Sensorsignalen
ansteuern.
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Die
oben anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezug
auf die beiliegenden Zeichnungen erläuterte Erfindung zeichnet sich
darüber
hinaus auch durch die folgenden Punkte aus:
- (1)
Drehzahl und Drehzahlverlauf (Drehzahlgradient) werden zur Berechnung
von Korrekturwerten für
die Sensorsignale erfasst und gespeichert.
- (2) Die Motordrehzahl und/oder der Drehzahlgradient können über ein
oder mehrere Zahnsegmente des Geberrades berechnet oder Bemittelt werden.
- (3) Die Korrektur des Winkelbezugs der abgetasteten Sensorsignale
erfolgt nach jedem Zahnsegment oder wahlweise erst am Ende eines
ganzen Messfensters (z.B. 180°KW).
- (4) Eine Kompensation von nicht drehzahlabhängigen Fehlerfaktoren (z.B.
Filterlaufzeiten bzw. Phasengang, Verzögerungen des Drehzahlgebersignals,
A/D-Signalumsetzzeiten, usw.) ist zusätzlich und einfach möglich.
- (5) bei weniger hohen Anforderungen an die Genauigkeit oder
bei Problemen mit der Rechnerauslastung kann das Verfahren zur Korrektur
des Winkelbezugs von Sensorsignalen auch nur im Bereich der Zahnlücke angewendet
werden, d.h. in dem Bereich, in dem der größte Fehler auftritt.
- (6) Es können
auch Sensorsignale korrigiert werden, die zeitbasiert erfasst und
anschließend
auf Kurbelwinkelbasis transferiert wurden.