DE102008050287A1

DE102008050287A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102008050287A1
Application number: DE102008050287A
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 und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine in der Weise, dass auftretende Resonanzeffekte schnell erkannt und Gegenmaßnahmen ergriffen werden. Hierzu wird ein Signal, das die Drehbewegung der Kurbelwelle erfasst in einer Fast-Fourier-Analyse winkeldiskret ausgewertet und die Ordnung der auftretenden Schwingungen ermittelt. Bei Auftreten und Überschreiten eines vorgegebenen Schwellenwerts von für Resonanzeffekte typischen Ordnungen erfolgt ein Momenteingriff in die Brennkraftmaschine.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung 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 und 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 zum Erkennen von Resonanzeffekten im Antriebsstrang zu finden, die eine schnelle Reaktion auf eintretende Resonanz im Antriebsstrang erlaubt. Weiterhin soll eine derartige Lösung nach Möglichkeit kostenneutral, das heißt ohne zusätzliche Bauteile realisierbar sein.
Die Aufgabe wird durch ein 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 Motoreingriff erfolgt, gelöst, wobei die Signale einer Fast-Fourier-Analyse unterworfen werden, mittels derer eine Schwingungsordnung der Signale ermittelt wird und der Ist-Wert durch eine vorgegebene Schwingungsordnung repräsentiert wird. Weiterhin wird die Aufgabe durch eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gelöst.
Auf diese Weise steht ein robustes Erkennungssignal für die Resonanz im Antriebsstrang zur Verfügung, das gegenüber dem Stand der Technik, bei dem gangabhängige Momentenvorgaben fehlerhaft sein können, da infolge einer fehlerhaften Gangbestimmung durch eine Quotientenbildung aus Drehzahl der Brennkraftmaschine und Raddrehzahl insbesondere im Resonanzfall eine Momentenvorgabe einem falschen Gang zuordnen kann, der keine oder eine höhere Momentenvorgabe zulässt, eine sichere Momentenbegrenzung der Brennkraftmaschine ermöglicht.
Die Drehbewegung der Kurbelwelle wird durch eine entsprechende Sensoreinrichtung gelöst, beispielsweise zur Erfassung der Drehzahl oder des Drehwinkels. Hierzu eignet sich insbesondere eine bereits bekannte Sensoreinrichtung, die eine über den Umfang verteilte Anzahl von Markierungen wie beispielsweise die Zähne eines Anlasserzahnkranzes 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.
Erfindungsgemäß werden die auf diese Weise gewonnenen 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, die Signale von vier Markierungen pro Kurbelwellenumdrehung ausgewertet und analysiert werden. Eine weitere Verminderung der Rechnerbelastung im Steuergerät kann vorgesehen werden, indem die FFT-Analyse beispielsweise 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.
Ein vorteilhaftes Steuergerät zum Steuern einer Brennkraftmaschine und zur Durchführung des Verfahrens weist zumindest eine Sensoreinrichtung zum Erfassen einer Drehbewegung einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine und eine Mehrzahl von Ausgängen zum Steuern und Regeln der Brennkraftmaschine, beispielsweise zum Steuern der Drosselklappe, des Zündzeitpunktes, des Einspritzwinkels und/oder der Einspritzmenge, sowie eine Recheneinheit zur Verarbeitung der von der Sensoreinrichtung eingehenden Signale und zur Ausgabe von Steuer- und Regelgrößen an die Brennkraftmaschine steuernde Funktionselemente auf. Die Sensoreinrichtung kann dabei aus einem magnetischen Signalgeber gebildet sein, der die Drehbewegungen von auf einem Schwungrad angebrachten Zündmarkierungen oder einem Winkelgeber oder Geberring erfasst und in inkrementelle Winkelsignale wandelt. Das Steuergerät empfängt die in elektrische Signale gewandelten Informationen und verrechnet diese in einer Recheneinheit, beispielsweise einem Mikroprozessor.
Die Erfindung wird anhand der 1 bis 5 näher erläutert. Dabei zeigen:
1 einen Drehzahlverlauf einer Brennkraftmaschine im Würgebetrieb,
2 ein Diagramm einer FFT-Analyse ohne Resonanzeffekte,
3 ein Diagramm einer FFT-Analyse mit Resonanzeffekten,
4 ein Ablauf zur Steuerung eines Momenteneingriffs bei Resonanzeffekten
und
5 einen Drehzahlverlauf einer Brennkraftmaschine im Würgebetrieb mit einem Momenteneingriff.
Die 1 zeigt einen Drehzahlverlauf 1 einer Brennkraftmaschine über die Zeit während eines Würgebetriebs bei hohem Gang und im Bereich der Leerlaufdrehzahl. Es wird die primäre Drehzahl der Kurbelwelle gemessen. Abhängig von der Anzahl der Zylinder treten um eine mittlere Drehzahl Drehmomentschwankungen auf, die beispielsweise auf Gasrektionen in den einzelnen Zylindern oder Massereaktionen zurückzuführen sind. Beginnend bei einer willkürlich angesetzten Zeit = 0 s nimmt die Drehzahl infolge des Würgebetriebs kontinuierlich und ohne Störungen unter eine mittlere Leerlaufdrehzahl von ca. 800 1/min ab. Infolge von Resonanzerscheinungen im Antriebsstrang, beispielsweise durch Betreiben eines Zweimassenschwungrads im Eigenfrequenzbereich, kommt es ab ca. 10 Sekunden zu starken Resonanzeffekten, die zu einer Schädigung von Antriebsstrangbauteilen führen können. Die Erfassung einer zuverlässigen Drehzahl, bei der entsprechende Gegenmaßnahmen eingeleitet werden, gestaltet sich infolge der sich zuerst nur langsam ändernden mittleren Drehzahlen schwierig. Es wird daher vorgeschlagen, die Drehzahlen winkeldiskret einer FFT-Analyse nach der Schwingungsordnung aufzulösen. Die 2 und 3 zeigen hierzu entsprechende FFT-Diagramme bei unterschiedlichen Zeitintervallen 2 (2) und 3 (3).
2 zeigt ein FFT-Spektrum bei ungestörter Drehzahlentwicklung einer Brennkraftmaschine mit sechs Zylindern. Wird der Betrag der Fourierkoeffizienten |F(n(φ))| gegen die Ordnung der winkeldiskreten Drehzahlen aufgetragen, resultieren eine Schwingung 4 dritter Ordnung und eine weniger intensive Schwingung 5 sechster Ordnung, die auf harmonische Schwingungen zurückgeführt werden können. Das FFT-Spektrum des Zeitintervalls 3 der 1 ist in 3 als Diagramm der Fourierkoeffizienten |F(n(φ))| gegen die Ordnung der entsprechend 2 primärseitig an der Kurbelwelle auftretenden Schwingungen dargestellt. Im Unterschied zu 2 zeigen sich mehrere subharmonische Schwingungsanteile, von denen insbesondere die Schwingung 6 mit einem Ordnungsgrad kleiner 1 eine Intensität besitzt, die als Grundlage zur Bildung eines Schwellenwerts zur Beurteilung einer Störung des Antriebsstrangs durch Resonanz herangezogen werden kann.
Aus 4 geht ein Beispiel eines Ablaufs 7 zur Erkennung von Resonanzeffekten unter Ausnutzung der in den 2 und 3 dargestellten Zusammenhänge hervor. Der Ablauf 7 kann als Softwareroutine Bestandteil einer Steuerung der Brennkraftmaschine und in einem Gesamtprogramm implementiert sein, von wo er unter vorgegebenen Bedingungen aufgerufen und beispielsweise zyklisch abgearbeitet werden kann. Die Bedingungen können beispielsweise ein Unterschreiten einer vorgegebenen Drehzahl der Brennkraftmaschine von beispielsweise 2000 1/min sein, um die Rechenkapazität der Recheneinheit nur dann in Anspruch zu nehmen, wenn das Fahrzeug im Würgebetrieb betrieben wird. Aus dem Rohsignal 18 aus der Erfassung der Kurbelwellenumdrehungen, das heißt Drehzahl der Brennkraftmaschine, mittels einer Sensoreinrichtung, beispielsweise einem Sensor zur Erfassung von Winkelinkrementen anhand von Markierungen oder Zähnen am Schwungrad oder Primärteil eines Zweimassenschwungrads, wird mittels eines Filters, beispielsweise eines Tiefpassfilters 8 ein Eingangssignal 19 gewonnen, das einer FFT-Analyse 9 unterworfen wird, deren Spektrum mit der auszuwertenden Schwingung 6 schematisch dargestellt ist. Die auszuwertende Intensität der Schwingung in Form des Betrags des Fourierkoeffizienten wird mit zumindest einem Schwellenwert – hier in Form zweier in ihrer Intensität abgestufter Schwellenwerte 16, 17 – verglichen. Bei Überschreiten eines Schwellenwertes 16, 17 können Maßnahmen zur Beeinflussung der Brennkraftmaschine ergriffen werden. Ein derartiger Momenteneingriff kann beispielsweise erfolgen, indem in einer aus Daten eines Kennfelds für die Brennkraftmaschine in einer Sollwertberechnung 10 ein geeigneter Sollwert für das Moment der Brennkraftmaschine berechnet und in einer Ausgabe 13 an die Steuerung der Brennkraftmaschine ausgegeben wird, so dass der Sollwert beispielsweise bei Überschreiten des Schwellenwerts 17 begrenzt und bei Überschreiten des Schwellenwerts 16 weiter zu Null begrenzt wird, so dass die Steuerung die Brennkraftmaschine stillsetzt. Weiterhin können direkt Betriebsparameter gesteuert werden, indem beispielsweise eine Sollwertberechnung 11 für die Drosselklappe oder eine Sollwertberechnung 12 für den Einspritzwinkel erfolgt, so dass entsprechende Sollwerte in den Ausgaben 14, 15 direkt an die Aktoren der Drosselklappe beziehungsweise an die Einspritzpumpe oder entsprechende Einspritzventile ausgegeben werden. Weiterhin können zusätzlich oder alternativ weitere Funktionselemente des Antriebsstrangs, beispielsweise eine automatisierte Kupplung bei Überschreiten eines oder mehrerer Schwellenwerte auf diese Weise gesteuert werden.
Eine mehrstufige Ausgestaltung der Schwellenwerte hat insbesondere auch den Vorteil, dass bereits bei sehr kleinen Intensitäten der Schwingung 6 Maßnahmen eingeleitet werden können, die einer beginnenden Resonanz entgegen wirken, indem beispielsweise einzelne Zylinder der Brennkraftmaschine unterschiedlich befeuert werden, Momentenstöße durch variierende Einspritzmengen, geänderte Zündzeitpunkte und dergleichen veranlasst werden. Steigen Resonanzeffekte dennoch an, können bei Überschreiten weiterer Schwellenwerte schärfere Maßnahmen bis zum Stillsetzen der Brennkraftmaschine eingeleitet werden.

5 zeigt ein Diagramm 20 der primären Drehzahl gegen die Zeit mit willkürlich festgelegtem Startpunkt. Der Drehzahlverlauf 21 gibt das Verhalten einer Brennkraftmaschine im Würgebetrieb wieder, der nach einer Zeit von ca. 10 s erste Resonanzeffekte zeigt. Die Überwachung mittels der in 4 dargestellten FFT-Analyse und einem entsprechend eingestellten Schwellenwert reagiert an der gestrichelten Linie 22, wenn der Schwellenwert überschritten ist und begrenzt das Moment der Brennkraftmaschine. Auf diese Weise bleiben große Ausschläge und Schwankungen aus, die Antriebsstrangbauteile und die Brennkraftmaschine selbst schädigen und einen unkomfortablen Betrieb des Fahrzeugs zur Ursache haben können. Die Begrenzung des Moments oder anderer Steuergrößen der Brennkraftmaschine müssen dabei nicht statisch sein, vielmehr können sie von weiteren Größen, beispielsweise der aktuellen Drehzahl der Brennkraftmaschine abhängig sein. Weiterhin können die Schwellenwerte situationsangepasst sein. Dies bedeutet, dass abhängig von der Betriebssituation die Schwellenwerte geändert, adaptiert oder dimensioniert werden können. Bezugszeichenliste

1	Drehzahlverlauf	12	Sollwertberechnung
2	Zeitintervall	13	Ausgabe
3	Zeitintervall	14	Ausgabe
4	Schwingung	15	Ausgabe
5	Schwingung	16	Schwellenwert
6	Schwingung	17	Schwellenwert
7	Ablauf	18	Rohsignal
8	Tiefpassfilter	19	Eingangssignal
9	FFT-Analyse	20	Diagramm
10	Sollwertberechnung	21	Drehzahlverlauf
11	Sollwertberechnung	22	Linie

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 Motoreingriff erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Signale einer Fast-Fourier-Analyse unterworfen werden, mittels derer eine Schwingungsordnung der Signale ermittelt wird und der Ist-Wert durch eine vorgegebene Schwingungsordnung repräsentiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ist-Wert eine Intensität einer Schwingungsordnung kleiner 2, vorzugsweise kleiner 1 ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Motoreingriff das Abstellen der Brennkraftmaschine oder eine Änderung der Drosselklappe der Brennkraftmaschine in Schließrichtung, eine Änderung des Einspritzwinkels, eine Änderung des Zündzeitpunktes nach Überschreiten des OT und/oder eine Begrenzung des Moments der Brennkraftmaschine sind.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreiten eines ersten Schwellenwerts die Stellung der Drosselklappe in Schließrichtung, eine Änderung des Einspritzwinkels und/oder eine Änderung des Zündzeitpunktes nach Überschreiten des OT und bei Überschreiten eines zweiten, höheren Schwellenwerts die Brennkraftmaschine abgestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreiten eines Schwellenwerts das über eine zwischen Brennkraftmaschine und einem Getriebe angeordneten automatisierten Reibungskupplung übertragbare Moment vermindert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren bei Drehzahlen der Brennkraftmaschine unter 2000 Umdrehungen pro Minute durchgeführt wird.
Steuergerät zum Steuern einer Brennkraftmaschine mit zumindest einer Sensoreinrichtung zum Erfassen einer Drehbewegung einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine und einer Mehrzahl von Ausgängen zum Steuern und Regeln der Brennkraftmaschine sowie einer Recheneinheit zur Verarbeitung der von der Sensoreinrichtung einge henden Signale und zur Ausgabe von Steuer- und Regelgrößen an die Brennkraftmaschine steuernde Funktionselemente zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6.