DE102008050283A1

DE102008050283A1 - Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102008050283A1
Application number: DE102008050283A
Authority: DE
Inventors: Stephen John Dr. Jones; Thomas Winkler; Sascha Steinbach
Original assignee: LuK Lamellen und Kupplungsbau Beteiligungs KG; LuK Lamellen und Kupplungsbau GmbH
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2007-10-22
Filing date: 2008-10-02
Publication date: 2009-04-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine insbesondere im Würgebetrieb mit einer Resonanzdetektion, wobei abhängig von aus der Resonanzdetektion gewonnenen Ergebnissen die Brennkraftmaschine bei Überschreiten eines ersten Schwellenwerts korrigiert wird und bei Überschreiten eines zweiten Schwellenwerts abgestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine bei Auftreten von Resonanzeffekten im Antriebsstrang.
Das Auftreten von Resonanzeffekten im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges ist bekannt. Insbesondere beim so genannten Würgebetrieb mit kleinen Drehzahlen kann der Drehschwingungsdämpfer, beispielsweise ein zwischen Kurbelwelle und Getriebeeingangswelle angeordnetes Zweimassenschwungrad in Resonanz kommen. Zum Schutz des Antriebsstrangs werden an der Brennkraftmaschine Maßnahmen eingeleitet, beispielsweise wird die Brennkraftmaschine beim Unterschreiten einer vorgegebenen Drehzahl abgestellt. Dabei wird eine mittlere Drehzahl erfasst und ausgewertet, so dass eine relativ lange Zeit verstreicht, bis auf auftretende Resonanzeffekte reagiert werden kann und eine Schädigung von Antriebsstrangbauteilen bereits zwischenzeitlich eintreten kann. Im Gegenzug werden die Drehzahlschwellen zum Abstellen der Brennkraftmaschine sehr knapp vorgegeben, wodurch für den Fahrer unkomfortable und sicherheitsrelevante Situationen entstehen, wenn das Fahrzeug beispielsweise auf belebter Straße stehen bleibt.
Aufgabe der Erfindung ist daher, eine schnelle und sichere Methode im Zusammenhang mit dem Auftreten von Resonanzeffekten im Antriebsstrang zu finden, die eine schnelle und differenzierte Reaktion auf eintretende Resonanz im Antriebsstrang erlaubt.
Die Aufgabe wird durch Verfahren zum Steuern einer Brennkraftmaschine mit einer Kurbelwelle und einer die Drehbewegung dieser erfassenden Sensoreinrichtung sowie einer Steuereinheit, die Signale der Sensoreinrichtung empfängt und verarbeitet, wobei durch Verarbeitung der Signale ein Ist-Wert gebildet wird, der mit zumindest einem vorgegebenen Schwellenwert verglichen wird, und bei Überschreiten des zumindest einen Schwellenwerts ein Momenteneingriff in die Brennkraftmaschine erfolgt, gelöst, wobei in einer Ablaufsteuerung nach einer Überprüfung von Eingangsbedingungen eine auf der Drehbewegung basierende Resonanzdetektion mit dem daraus resultierenden Ist-Wert durchgeführt wird und abhängig vom Ist-Wert auf die Brennkraftmaschine Korrekturmaßnahmen oder Abstellmaßnahmen angewendet werden.
Die Drehbewegung der Kurbelwelle wird durch eine entsprechende Sensoreinrichtung gelöst, beispielsweise zur Erfassung der Drehzahl oder des Drehwinkels. Hierzu eignen sich insbesondere bereits bekannte Sensoreinrichtungen, die eine über den Umfang verteilte Anzahl von Markierungen wie beispielsweise die Zähne eines Inkrementalgebers bzw. Winkelgeber inkrementell abzählt und damit einen Bezug zwischen der gezählten Anzahl von Markierungen zum Drehwinkel der Kurbelwelle herstellt, wobei neben der Anzahl der Markierungen die Anzahl der Flanken der Markierungen einen Gewinn an Auflösung erbringt. Die Zählimpulse werden über eine Signalleitung in eine Auswerteeinheit, beispielsweise in ein Steuergerät der Brennkraftmaschine übertragen und dort in einer Auswerteroutine verarbeitet.
Eine mögliche Eingangsbedingung zur Durchführung eines vorteilhaften Ablaufs kann das Unterschreiten einer vorgegebenen Drehzahl der Brennkraftmaschine sein. Beispielsweise kann das Verfahren unter 2000 Umdrehungen pro Minute gestartet werden. Auf diese Weise wird Rechnerkapazität nur dann in Anspruch genommen, wenn das Fahrzeug im Würgebetrieb betrieben wird. Weiterhin kann eine Bedingung eine geschlossene Reibungskupplung zwischen der Brennkraftmaschine und einem nachgeschalteten Getriebe sein.
Ein Motoreingriff im Sinne der Erfindung kann beispielsweise durch eine Änderung eines Öffnungswinkels der Drosselklappe, eine Änderung der Einspritzmenge, eine Änderung des Einspritzwinkels bei einer Brennkraftmaschine nach dem Diesel-Prinzip, eine Änderung des Schließwinkels zumindest eines Steuerventils und/oder eine Änderung des Zündzeitpunktes der Brennkraftmaschine nach dem Otto-Prinzip sein.
Bezüglich einer vorteilhaften Ausgestaltung der Resonanzdetektion werden die von der Sensoreinrichtung übertragenen Winkelsignale einer Auswerteeinheit zugeführt, die eine Filterung und/oder Mittelung der Signale in einem so genannten Weit- und Kurzwinkelbereich vornimmt. Bei einer entsprechenden Korrelation dieser Signale, beispielsweise durch Differenz- oder Verhältnisbildung kann der Ist-Wert selektiver und früher einem auftretenden Resonanzeffekt zugeordnet werden. Dabei ist es von Vorteil, wenn der für den Weitwinkelbereich ermittelte Wert beispielsweise in Form einer gleitenden Mittelwertbildung in derselben Zeitrate aktualisiert wird, innerhalb derer die Mittelung des Kurzwinkelwertes erfolgt, so dass eine schnellere Aktualisierung des Ist-Wertes erfolgen kann. Durch die Auswertung und Korrelation unterschiedlicher gemittelter Werte miteinander wird der Vorteil genutzt, dass das Weitwinkelsignal eher unabhängig von Resonanzeinflüssen ist und das Kurzwinkelsignal stark auf Resonanzeffekte anspricht. So kann das Weitwinkelsignal quasi zur Untergrundkompensation oder als Basislinie für das Kurzwinkelsignal dienen. Das Weitwinkelsignal wird in vorteilhafter Weise als erstes über mehrere Umdrehungen der Kurbelwelle gebildet, während das Kurzwinkelsignal aus einem zweiten über einen Bruchteil einer Umdrehung gemittelten Signal gebildet wird. Dabei kann es vorteilhaft sein, wenn der Winkelbereich für das zweite Signal an die Anzahl der Zylinder der Brennkraftmaschine angepasst wird. So kann beispielsweise der Winkelbereich des Weitwinkelsignals zur Festlegung des Winkelbereichs des Kurzwinkelsignals durch die Anzahl der Zylinder geteilt werden. Beispielsweise kann der Bereich für das Weitwinkelsignal 720°, also zwei Kurbelwellenumdrehungen betragen, so dass sich für eine Brennkraftmaschine mit sechs Zylindern ein Winkelbereich von 120° für das Kurzwinkelsignal ergibt.
Nachfolgend wird aus beiden über die entsprechenden Winkelbereiche gemittelten Signalen die Differenz gebildet und mit einem oder mehreren Schwellenwerten verglichen. Wird einer oder mehrere Schwellenwerte überschritten, werden entsprechende Maßnahmen für einen Momenteingriff in die Brennkraftmaschine und/oder Eingriffe in andere Bauteile, beispielsweise eine automatisierte Kupplung, eingeleitet.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht die Verwendung einer Fast-Fourier-Transform-Analyse (FFT-Analyse). Hierzu werden die von der Sensoreinrichtung übertragenen Winkelsignale einer winkeldiskreten Fast-Fourier-Analyse (FFT-Analyse) unterworfen, wobei nicht – wie in herkömmlichen auf der Zeit basierenden FFT-Analysen – ein Frequenzspektrum sondern vielmehr ein Spektrum der Ordnungen der den Winkelsignalen überlagerten Schwingungen erhalten wird. Dabei treten die signifikanten harmonischen Schwingungen einer Brennkraftmaschine auf, die je nach Zylinderzahl unterschiedliche Ordnungen aufweisen, beispielsweise bei einer Brennkraftmaschine mit sechs Zylindern Schwingungen dritter und sechster Ordnung. Treten neben diesen harmonischen Ordnungen sogenannte subharmonische Schwingungen kleinerer Ordnung auf, handelt es sich um Anteile einer beginnenden Resonanzanregung. In vorteilhafter Weise können sich durch die Beschränkung auf kleine Ordnungen, beispielsweise Ordnungen kleiner eins, die Beobachtungszeiträume verkürzen. Bei einer derartigen Beschränkung der FFT-Analyse kann der Rechenaufwand im Steuergerät verringert werden. Beispielsweise hat sich gezeigt, dass bei einer Beschränkung der Auflösung auf eine halbe Ordnung zwei Kurbelwellenumdrehungen ausreichend sind, wobei es ausreichend ist, wenn die Signale der Flanken von vier Markierungen ausgewertet und analysiert werden. Eine weitere Verminderung der Rechnerbelastung im Steuergerät kann vorgesehen werden, indem die FFT-Analyse nur bei Gefahr oder Vorliegen eines Würgebetriebs aktiviert wird. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die FFT-Analyse abhängig von der Drehzahl der Brennkraftmaschine aktiviert wird, beispielsweise unter 2000 Umdrehungen pro Minute.
Die Auswertung der FFT-Analyse erfolgt in der Weise, dass die Beträge der Fourierkoeffizienten niedriger Ordnungen, beispielsweise der 0,5ten oder 0,7ten Ordnung ausgewertet werden. Diese Beträge können mit einem oder mehreren beispielsweise empirisch ermittelten Schwellenwerten verglichen werden. Überschreitet der aktuell ermittelte Betrag einen Schwellenwert, werden entsprechende Maßnahmen getroffen. So kann beispielsweise bei Überschreiten eines Schwellenwerts ein Motoreingriff erfolgen, indem die Brennkraftmaschine abgestellt, die Drosselklappe der Brennkraftmaschine zumindest teilweise geschlossen wird, der Einspritzwinkel für Kraftstoff geändert wird und/oder das Moment der Brennkraftmaschine in anderer Weise begrenzt wird. Die Einrichtung mehrerer Schwellenwerte lässt einen stufenweisen Eingriff auf die Brennkraftmaschine zu. So können beispielsweise bei einem niedrigen Schwellenwert Maßnahmen ergriffen werden, die das Moment der Brennkraftmaschine erniedrigen, beispielsweise mittels einer Stellung der Drosselklappe in Schließrichtung, einer Änderung des Einspritzwinkels und/oder eine Änderung des Zündzeitpunktes nach Überschreiten des OT bewirken. Bei Überschreiten eines zweiten höheren Schwellenwerts kann die Brennkraftmaschine komplett abgestellt werden. Alternativ oder zusätzlich kann bei Überschreiten eines der genannten oder eines zusätzlichen Schwellenwerts das über eine zwischen Brennkraftmaschine und einem Getriebe angeordneten automatisierten Reibungskupplung übertragbare Moment vermindert werden.
Der ermittelte Ist-Wert kann mit einem oder mehreren beispielsweise empirisch ermittelten Schwellenwerten verglichen werden. Überschreitet der aktuell ermittelte Ist-Wert einen Schwellenwert, werden entsprechende Maßnahmen getroffen. So kann beispielsweise bei Überschreiten eines Schwellenwerts ein Motoreingriff erfolgen, indem die Brennkraftmaschine abgestellt, die Drosselklappe der Brennkraftmaschine zumindest teilweise geschlossen wird, der Einspritzwinkel für Kraftstoff geändert wird und/oder das Moments der Brennkraftmaschine in anderer Weise begrenzt wird. Die Einrichtung mehrerer Schwellenwerte lässt einen stufenweisen Eingriff auf die Brennkraftmaschine zu. So können beispielsweise bei einem niedrigen Schwellenwert Maßnahmen ergriffen werden, die das Moment der Brennkraftmaschine erniedrigen, beispielsweise mittels einer Stellung der Drosselklappe in Schließrichtung, einer Änderung des Einspritzwinkels und/oder eine Änderung des Zündzeitpunktes nach Überschreiten des OT. Bei Überschreiten eines zweiten höheren Schwellenwerts kann die Brennkraftmaschine komplett abgestellt werden. Alternativ oder zusätzlich kann bei Überschreiten eines der genannten oder eines zusätzlichen Schwellenwerts das über eine zwischen Brenn kraftmaschine und einem Getriebe angeordneten automatisierten Reibungskupplung übertragbare Moment vermindert werden.
Die Erfindung wird anhand der einzigen Figur, die ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel eines Ablaufs als Flussdiagramm zeigt, näher erläutert. Die mögliche Ausführungsform kann als Ablauf 1 einer Gesamtsteuerung der Brennkraftmaschine in einem Steuergerät implementiert sein. Der Ablauf 1 wird im Block 2 gestartet. In Verzweigung 3 werden Eingangsbedingungen für Durchführung des Ablaufs geprüft. Eine Eingangsbedingung kann beispielsweise ein Unterschreiten einer Drehzahlschwelle von 2000 1/min sein. Eine weitere kann bei Vorhandensein eines Kupplungswegsensors oder einer gleichwertigen Detektionsmöglichkeit eines Kupplungszustands die Erfassung eines geschlossenen Zustands sein. Es können weitere Bedingungen vorgesehen sein, wobei einzelne Eingangsbedingungen Muss-Kriterien sein können und bei Vorliegen einer einzigen derartigen Einstiegsbedingung der Ablauf 1 bereits in Block 11 beendet wird, während weniger relevante Eingangsbedingungen nicht für sich allein sondern erst beim Zusammentreffen mehrerer fehlender Kriterien zum Abbruch des Ablaufs führen.
Sind die Eingangsbedingungen erfüllt, wird der Ablauf 1 in Block 4 mit der Resonanzdetektion fortgesetzt. Die Resonanzdetektion erfolgt in vorteilhafter Weise über eine Auswertung der Drehbewegung der Kurbelwelle in Abhängigkeit von der Zeit. Es werden beispielsweise Winkelinkremente, die ein Signalgeber, beispielsweise ein Hall-Sensor, anhand einer profilierten Steuerscheibe, beispielsweise einem Schwungrad oder einem Primärteil eines Zweimassenschwungrads mit Zündmarkierungen und/oder einem Anlasserzahnkranz, erfasst und anhand vorgegebener Algorithmen in einen Ist-Wert umgerechnet, dessen Höhe mit vorgegebenen, beispielsweise empirisch ermittelten Schwellenwerten S1 und S2 verglichen wird. Dabei erfolgt die Erfassung von Winkelinkrementen in einer vorgebbaren und wegen Toleranz- und Reproduzierbarkeitsbetrachtungen eine Filterung beziehungsweise Mittelung der einzelnen Messwerte vorzugebenden Taktrate, so dass Ist-Werte in entsprechenden Zeitfenstern mit den Schwellenwerten verglichen werden können. Die Signale der Sensoreinrichtung mit dem Signalgeber können Algorithmen einer winkeldiskreten FFT-Analyse unterworfen werden, wobei beispielsweise anstatt der üblichen Frequenzdomäne die Ordnung der Drehungleichförmigkeit der Kurbelwelle bestimmt wird. Es hat sich dabei gezeigt, dass im Resonanzfall neben den für die Anzahl der Zylinder der Brennkraftmaschine typischen harmonischen Schwingungen subharmonische Schwingungen mit einem Ordnungsgrad kleiner eins auftreten, die als Ist-Werte ausgewertet werden.
Weiterhin kann ein Ist-Wert aus einem gemittelten Wert für einen zylinderabhängigen Winkelbereich bestimmt werden, in dem eine besonders hohe Abhängigkeit des gemittelten Werts von einer Resonanz des Antriebsstrangs beobachtet wird. Ein derartiger Winkelbereich ist von der Anzahl der Zylinder abhängig und kann an dem Wert 720°/Anzahl der Zylinder orientiert werden, so dass sich beispielsweise für eine Brennkraftmaschine mit sechs Zylindern ein Winkelbereich von 120° ergibt. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Werte für den Winkelbereich mit einem über einen großen Winkelbereich von ca. 720° ermittelten Korrekturwert, der Schwankungen und der Drehzahl kompensiert. Durch die Differenz der Werte für den kurzen und großen Winkelbereich wird der Ist-Wert gewonnen. Es versteht sich, dass auch andere Methoden der Resonanzdetektion in dem dargestellten Ablauf 1 zur Anwendung kommen können.
Nach erfolgter Resonanzdetektion wird der Ist-Wert in der Verzweigung 5 mit den Schwellenwerten S1 und S2, für die S2 > S1 gilt, verglichen. Liegt der Ist-Wert unter dem Schwellenwert S1 wird die Resonanzdetektion in Block 4 erneut gestartet. Wahlweise können an dieser Stelle auch die Eingangsbedingungen noch einmal auf Erfüllung geprüft werden.
Ist der Ist-Wert größer als ein Schwellenwert S1, S2 wird in Verzweigung 6 unterschieden, welcher Schwellenwert überschritten wird. Ist der kleinere Schwellenwert S1 überschritten, werden in Block 7 Korrekturmaßnahmen des Moments der Brennkraftmaschine eingeleitet. Dies bedeutet, dass die Brennkraftmaschine so gesteuert wird, dass erstens die Wirkung der Steuerung, die der Resonanz entgegenwirkt oder zweitens das Moment der Brennkraftmaschine zumindest geringfügig zurückgenommen wird. Im ersten Fall ist eine schnelle und phasenempfindliche Reaktion der Brennkraftmaschine auf die Schwingungsphasen der Resonanz notwendig. Eine derartige Reaktion kann beispielsweise durch zylinderabhängige Steuerung der Brennkraftmaschine erfolgen, indem beispielsweise zylinderselektiv befüllt, über Ein- und/oder Auslassvorgänge gesteuert und/oder gezündet wird. Auch mehrere Zylinder betreffende Steuervorgänge dieser Art oder beispielsweise eine winkelabhängige Einspritzung können vorteilhaft sein, während im zweiten Fall eine Betätigung der Drosselklappe und/oder der Einspritzmenge vorteilhaft sein kann. Sind die Korrekturmaßnahmen abgeschlossen, wird in Block 8 eine Resynchronisierung der Sensoreinrichtung durchgeführt, indem beispielsweise das Winkelsignal zurückgesetzt wird. Anschließend wird erneut eine Resonanzdetektion durchgeführt und der Ablauf 1 bei gegebenenfalls vorhandenen Eingangsbedingungen an dieser Stelle fortgesetzt wird.
Wird in der Verzweigung 6 festgestellt, dass der Schwellenwert S2 überschritten wird, beispielsweise nach einem erstmaligem Durchlaufen des Ablauf 1 oder bei gescheiterten Korrekturmaßnahmen, werden in Block 9 Abstellmaßnahmen eingeleitet, die wie das übliche Abstellen der Brennkraftmaschine erfolgen können, indem die Kraftstoffzufuhr unterbrochen wird. Um ein komfortables Abstellen zu Ermöglichen, können bei einer Brennkraftmaschine – mit Einzelventilsteuerung – ein oder mehrere Zylinder dekomprimiert werden oder andere Maßnahmen zum komfortablen Stillsetzen der Brennkraftmaschine getroffen werden. Nach einer dem Block 8 entsprechenden Resynchronisierung in Block 10 wird der Ablauf 1 in Block 11 beendet.

Claims

Verfahren zum Steuern einer Brennkraftmaschine mit einer Kurbelwelle und einer die Drehbewegung dieser erfassenden Sensoreinrichtung sowie einer Steuereinheit, die Signale der Sensoreinrichtung empfängt und verarbeitet, wobei durch Verarbeitung der Signale ein Ist-Wert gebildet wird, der mit zumindest einem vorgegebenen Schwellenwert verglichen wird, und bei Überschreiten des zumindest einen Schwellenwerts ein Momenteneingriff in die Brennkraftmaschine erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Ablaufsteuerung nach einer Überprüfung von Eingangsbedingungen eine auf der Drehbewegung basierende Resonanzdetektion mit dem daraus resultierenden Ist-Wert durchgeführt wird und abhängig vom Ist-Wert auf die Brennkraftmaschine Korrekturmaßnahmen oder Abstellmaßnahmen angewendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Eingangsbedingung ein Unterschreiten einer Drehzahl der Brennkraftmaschine ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Motoreingriff durch eine Änderung eines Öffnungswinkels der Drosselklappe, eine Änderung der Einspritzmenge, eine Änderung des Einspritzwinkels, eine Änderung des Schließwinkels zumindest eines Steuerventils und/oder eine Änderung des Zündzeitpunktes der Brennkraftmaschine ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzdetektion mittels einer winkeldiskreten FFT-Analyse mit einer Auswertung von subharmonischen Ordnungen von Resonanzschwingungen erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzdetektion mittels zweier unterschiedlicher jeweils gemittelter Winkelanteile erfolgt, die zueinander in Bezug gesetzt werden.