DE102013207173A1 - Verfahren zur Bestimmung von Segmentzeiten eines Geberrads eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Verfahren zur Bestimmung von Segmentzeiten eines Geberrads eines Verbrennungsmotors Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Segmentzeiten eines Geberrads (10) eines Verbrennungsmotors, wobei das Geberrad (10) drehfest mit einer Kurbelwelle (11) des Verbrennungsmotors verbunden ist, wobei entlang des Umfangs des Geberrades (10) Markierungen (12a, 12b, 12c, 12d, 12e) angeordneten sind und wobei die Kurbelwelle (11) des Verbrennungsmotors während der Segmentzeiten vorbestimmte Winkelbereiche (SA, SB) überstreicht. Zahnzeiten werden als zeitliche Abstände zwischen jeweils zwei Markierungen (12a, 12b, 12c, 12d, 12e) des Geberrades (10) bestimmt, auf die bestimmten Zahnzeiten wird eine Tiefpassfilterung angewendet und als Ergebnis der Tiefpassfilterung werden gefilterte Zahnzeiten bestimmt. Segmentzeiten des Geberrads (10) werden als eine Summe gefilterter Zahnzeiten einer bestimmten Anzahl an aufeinanderfolgenden Markierungen (12a, 12b, 12c, 12d, 12e) des Geberrads bestimmt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Segmentzeiten eines Geberrads eines Verbrennungsmotors.
  • Stand der Technik
  • Verbrennungsaussetzer führen zu einem Anstieg der im Betrieb eines Verbrennungsmotors emittierten Schadstoffe und können darüber hinaus zu einer Schädigung eines Katalysators im Abgastrakt des Verbrennungsmotors führen. Zur Erfüllung gesetzlicher Forderungen zur Überwachung abgasrelevanter Funktionen ist eine Erkennung von Verbrennungsaussetzern im gesamten Drehzahlund Lastbereich notwendig. In diesem Zusammenhang ist es möglich, dass beim Betrieb mit Verbrennungsaussetzern charakteristische Änderungen des Drehzahlverlaufs des Verbrennungsmotors gegenüber dem Normalbetrieb ohne Aussetzer auftreten. Durch den Vergleich dieser Drehzahlverläufe kann zwischen Normalbetrieb ohne Aussetzer und Betrieb mit Aussetzern unterschieden werden.
  • Dazu kann einem bestimmten Bereich der Kolbenbewegung jedes Zylinders ein als Segment bezeichneter Kurbelwellenwinkelbereich zugeordnet werden. Diese Segmente können beispielsweise durch Markierungen auf einem mit der Kurbelwelle gekoppelten Geberrad realisiert werden. Die Segmentzeit, in der die Kurbelwelle diesen Winkelbereich überstreicht, hängt unter anderem von der im Verbrennungstakt umgesetzten Energie ab. Verbrennungsaussetzer führen zu einem Anstieg der zündungssynchron erfassten Segmentzeiten. Differenzen von Segmentzeiten stellen demgemäß ein Maß für die Laufunruhe eines Verbrennungsmotors dar.
  • Die Markierungen des Geberrads unterliegen mechanischen Toleranzen, im Folgenden als Zahnfehler bezeichnet, bezüglich ihrer definierten Position, wodurch gemessenen Segmentzeiten verfälscht werden können. Diese Zahnfehler können im Zuge einer Zahnfehleradaption durch geeignete Algorithmen ermittelt und korrigiert werden. Für diese Zahnfehleradaption wird der Verbrennungsmotor allerdings in einem definierten Motorzustand betrieben, was mit großem Aufwand verbunden ist und insbesondere während des normalen Betriebs des Verbrennungsmotors nicht zu realisieren ist. Es kann also zu langen Perioden ohne Zahnzeitenadaption und damit ohne Zahnfehlerkorrektur kommen, in denen bestimmte Segmentzeiten verfälscht werden können.
  • Die Aufgabe, die sich dem Fachmann nun stellt, ist es, eine Möglichkeit bereitzustellen, um auf einfache Art Segmentzeiten eines Geberrads eines Verbrennungsmotors zu bestimmen und dabei mechanischen Toleranzen der Markierungen des Geberrads zu kompensieren.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Bestimmung von Segmentzeiten eines Geberrads eines Verbrennungsmotors mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
  • Vorteile der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße Verfahren stellt eine einfach zu implementierende Möglichkeit dar, Segmentzeiten des Geberrads zu bestimmen und dabei mechanische Toleranzen von Markierungen des Geberrades zu kompensieren. Dabei können bereits vorhandene Komponenten und Bauteile des Verbrennungsmotors genutzt werden, es ist nicht nötig, Umbauten oder Änderungen an dem Verbrennungsmotor vorzunehmen.
  • Das Geberrad ist dabei drehfest mit einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors verbunden. Alternativ oder zusätzlich kann das Geberrad auch drehfest mit einer Nockenwelle des Verbrennungsmotors verbunden sein. Entlang des Umfangs des Geberrades sind die Markierungen insbesondere im Wesentlichen äquidistant angeordnet. Zahnzeiten werden als zeitliche Abstände zwischen jeweils zwei Markierungen des Geberrads bestimmt.
  • Dabei werden die Markierungen des Geberrads beispielsweise mittels eines Aufnehmers, beispielsweise eines magnetischen Sensors, abgetastet und ein Messsignal, beispielsweise eine elektrisches Spannungssignal, wird bestimmt. Aus diesem analogen kontinuierlichen Messsignal über die Zeit können die Zeitpunkte, zu welchen eine Markierung den Aufnehmer passiert, als Zahnzeiten bestimmt werden. Auf diese Weise wird ein digitales Zahnzeitsignal als eine Reihe der zu den einzelnen Markierungen gehörenden Zahnzeiten bestimmt.
  • Aufgrund mechanischer Toleranzen der Markierungen des Geberrads können diese Zahnzeiten verfälscht sein. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass die Abweichungen der Markierungen des Geberrads von einer definierten Position aufgrund mechanischer Toleranzen näherungsweise als normalverteilt angenommen werden können. Eine mittlere Abweichung der Markierungen von der definierten Position über ein zweckmäßig großes Segment des Geberrads konvergiert daher gegen null. Eine herkömmliche statistische Mittelung der Zahnzeiten der Markierungen würde zwar die mittlere Abweichung kompensieren, die absoluten Abweichungen der einzelnen Markierungen würden allerdings dennoch erhalten bleiben und die Segmentzeiten weiterhin verfälschen.
  • Erfindungsgemäß wird auf die einzelnen bestimmten Zahnzeiten bzw. auf das Zahnzeitsignal eine Tiefpassfilterung angewendet. Diese Tiefpassfilterung kann anschaulich mit der Bildung eines gleitenden Mittelwerts verglichen werden. Als Ergebnis dieser Tiefpassfilterung werden gefilterte Zahnzeiten bestimmt. Abweichungen der einzelnen Markierungen von definierten Positionen werden somit effektiv herausgefiltert. Segmentzeiten des Geberrads werden als Summe dieser gefilterten Zahnzeiten einer bestimmten Anzahl an aufeinanderfolgenden Markierungen des Geberrads bestimmt.
  • Die Segmentzeit eines zweckmäßig großen Segments ist somit annähernd unverfälscht und frei von Zahnfehlern. Für einen Verbrennungsmotor mit vier Zylindern kann beispielsweise ein Segment von 180° als hinreichend groß angesehen werden. Es ist somit nicht mehr nötig, eine Zahnfehleradaption durchzuführen. Für das erfindungsgemäße Verfahren ist es nicht nötig, den Verbrennungsmotor in einem speziellen Betriebsmodus bzw. definierten Motorzustand zu betreiben. Das erfindungsgemäße Verfahren kann während des regulären Betriebs des Verbrennungsmotors durchgeführt werden und in das Steuergerät des Verbrennungsmotors integriert werden. Die erfindungsgemäße Segmentzeitbestimmung kann somit für verschiedenste Funktionen des Verbrennungsmotors genutzt werden, beispielsweise für eine präzise Bestimmung der Drehzahl des Verbrennungsmotors oder einer Regelung der Nockenwellenbewegung.
  • Vorteilhafterweise wird für die Tiefpassfilterung eine Grenzfrequenz derart gewählt, dass eine Zündfrequenz und tiefere Frequenzen des Verbrennungsmotors höchstens um einen Durchlasswert, also z.B. höchstens um 10%, gedämpft werden. Alternativ oder zusätzlich wird die Grenzfrequenz vorzugsweise derart gewählt, dass die doppelte Zündfrequenz und höhere Frequenzen des Verbrennungsmotors mindestens um einen Dämpfwert, also z.B. mindestens um 90%, gedämpft werden. Steilheit der Filterkennlinie, Durchlasswert und Dämpfwert werden zweckmäßigerweise in Abhängigkeit vom jeweiligen Einsatzweck vorgegeben. Damit wird erreicht, dass nur Frequenzanteile, die durch den Verbrennungsprozess hervorgerufen werden, in die Segmentzeitberechnung eingehen. Aliasingeffekte werden somit vermieden. Durch die zweckmäßige Wahl der Grenzfrequenz wird somit eine gewisse Filtergüte der Tiefpassfilterung erreicht.
  • Eine Zündfrequenz beschreibt üblicherweise eine Anzahl Zündereignisse pro Zeit. Eine Zündfrequenz f in [s–1] kann für einen Viertaktmotor berechnet werden aus einer Drehzahl n in [min–1] und einer Zylinderzahl N zu (n/60)·(N/2). Die Zündfrequenz wirkt für die Filterung als Samplefrequenz. Da sich die Grenzfrequenz auf die Samplefrequenz bezieht, diese sich aber mit der Drehzahl ändert, ist es vorteilhaft, die normierte Frequenz ω = 2πf anzugeben. Um das Abtastkriterium nicht zu verletzen, bezieht sich die normierte Frequenz auf einen Bereich von 0...π.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Tiefpassfilter ein FIR-Filter (Filter mit endlicher Impulsantwort), insbesondere ein Gleitender-Mittelwert-Filter. Die gefilterten Zahnzeiten als Ergebnis des FIR-Filters werden aus einer endlichen, gerade zurückliegenden Vergangenheit des Zahnzeitsignals bestimmt. Anschaulich gesprochen wird bei FIR-Filtern und Gleitenden-Mittelwert-Filtern eine Summe aus "n" aufeinanderfolgenden (gegebenenfalls unterschiedlich gewichteten) Zahnzeiten gebildet und diese durch "n" dividiert. Danach wird die Gruppe der n Werte fortlaufend jeweils um einen Takt weitergeschoben und jedes Mal wird erneut der Mittelwert gebildet. Das Ergebnis ist eine Folge von gefilterten Zahnzeiten, die einen Tiefpass durchlaufen haben.
  • Vorzugsweise wird mittels der bestimmten Segmentzeiten eine Überwachung einer Laufunruhe des Verbrennungsmotors durchgeführt wird. Im Gegensatz zu der Zahnfehleradaption kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Segmentzeitbestimmung auch während des laufenden Betriebs des Verbrennungsmotors auf einfache Weise unverfälschte Werte für die Segmentzeiten bestimmen. Die Erfindung eignet sich somit besonders für eine permanente Echtzeitüberwachung der Laufunruhe des Verbrennungsmotors.
  • Bevorzugt werden Drehzahlgradienten als Differenzen aufeinanderfolgender Segmentzeiten bestimmt. Da Verbrennungsaussetzer einzelner Zylinder des Verbrennungsmotors zu einem Anstieg der zündungssynchron erfassten Segmentzeiten führen und Differenzen von Segmentzeiten ein Maß für die Laufunruhe des Verbrennungsmotors darstellen, bieten sich die Drehzahlgradienten aus den erfindungsgemäß bestimmten Segmentzeiten besonders an, um die Laufunruhe des Verbrennungsmotors zu überwachen. Dabei kann insbesondere überwacht werden, ob die Drehzahlgradienten einen vorgegebenen Schwellwert erreichen.
  • Vorzugsweise wird ein Verbrennungsaussetzer des Verbrennungsmotors erkannt, wenn die Drehzahlgradienten den vorgegebenen Schwellwert erreichen. Ein Benutzer, beispielsweise ein Fahrer eines Kraftfahrzeugs, kann in diesem Fall über Verbrennungsaussetzer informiert werden, beispielsweise über eine Warnleuchte. Des Weiteren können Informationen über die Häufigkeit und die genaueren Umstände der Verbrennungsaussetzer abgespeichert werden, um für spätere Wartungs- oder Reparaturarbeiten zur Verfügung zu stehen.
  • Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
  • Auch die Implementierung des Verfahrens in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt schematisch eine Anordnung, welche zur Ausführung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist.
  • 2 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens als ein Blockdiagramm.
  •  Ausführungsformen der Erfindung
  • In 1 ist eine Anordnung, welche zur Ausführung einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist, schematisch dargestellt.
  • Ein Geberrad 10 ist mit einer Kurbelwelle 11 eines Verbrennungsmotors (in 1 nicht dargestellt) eines Kraftfahrzeugs drehfest verbunden. Der Umfang bzw. Rand des Geberrads 10 weist Markierungen 12a, 12b, 12c, ... auf. Beispielsweise sind Geberräder mit 60-2 Zähnen verbreitet, bei denen die Markierungen in einem Abstand von jeweils 6° angeordnet sind.
  • Das Geberrad 10 kann in mehrere, insbesondere im Wesentlichen äquidistante, Segmente eingeteilt werden. In dem speziellen Beispiel von 1 ist das Geberrad 10 in zwei Segmente SA und SB von je 180° zwischen der Markierung 12a und der Markierung 12e eingeteilt.
  • Beispielsweise entspricht ein Segment SA bzw. SB bei einem Verbrennungsmotor mit vier Zylindern einer Kurbelwellenbewegung um 180° und einem Kolbenhub eines Kolbens des Verbrennungsmotors. Als ein Kolbenhub ist dabei die Bewegung des Kolbens zwischen einem oberen Totpunkt OT und einem unteren Totpunkt UT zu verstehen.
  • Ein Aufnehmer ist als ein Hall-Sensor 13 ausgebildet. Der Hall-Sensor 13 ist in der Nähe des Rands des Geberrads 10 angeordnet und mit einer Leitung 14 mit einem Steuergerät 15 des Verbrennungsmotors verbunden. Das Steuergerät 15 ist dazu eingerichtet, eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen.
  • Im Betrieb des Verbrennungsmotors drehen sich die Kurbelwelle 11 und damit auch das Geberrad 10. Der Beginn einer jeden Markierung erzeugt in dem Aufnehmer 13 einen Spannungspuls. Ein zugehöriges Spannungssignal ist in 1 als Diagramm U(t) schematisch dargestellt.
  • Das Steuergerät 15 wertet das Spannungssignal U(t) aus und führt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens durch, welches anhand von 2 erläutert wird. In 2 ist dabei eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens als ein Blockdiagramm schematisch dargestellt.
  • In Schritt 101 wird, wie oben erläutert, ein Spannungssignal von dem Aufnehmer 13 erfasst. In Schritt 102 wird das Spannungssignal ausgewertet. Aus den einzelnen Spannungspulsen werden die Zeitpunkte bestimmt, zu welchen der zu der jeweiligen Markierung gehörende Spannungspuls erfasst wird. Die zeitlichen Abstände dieser Zeitpunkte werden als Zahnzeiten bestimmt. Somit wird ein digitales Zahnzeitsignal als eine Reihe der zu den einzelnen Markierungen gehörenden Zahnzeiten bestimmt.
  • In Schritt 103 wird eine Tiefpassfilterung auf das Zahnzeitsignal, also auf die bestimmten Zahnzeiten, angewendet. In diesem speziellen Beispiel wird eine FIR-Filterung auf die Zahnzeiten angewendet. Aus den bestimmten Zahnzeiten tzahn werden dabei gefilterte Zahnzeiten tfilter nach der folgenden Formel errechnet:
    Figure DE102013207173A1_0002
  • N ist dabei die Ordnung der FIR-Filterung und C(i) sind Koeffizienten der FIR-Filterung, die von dem Fachmann zweckmäßig, beispielsweise mittels mathematischer Softwaretools, bestimmt werden. Der Filteralgorithmus wird dabei für jede einzelne Zahnzeit tzahn berechnet.
  • In Schritt 104 werden aus den bestimmten gefilterten Zahnzeiten tfilter Segmentzeiten tsegment berechnet. Beispielsweise gilt für ein Segment SA bzw. SB, welches einen Kolbenhub zwischen einem oberen Totpunkt eines Kolbens (Segmentbeginn A) und einem unteren Totpunkts des Kolbens (Segmentende B) charakterisiert:
    Figure DE102013207173A1_0003
  • Die auf diese Weise bestimmten Segmentzeiten tsegment können für unterschiedlichste Funktionen des Verbrennungsmotors genutzt werden, exemplarisch durch die Bezugszeichen 200, 300 oder 400 dargestellt.
  • Im Fall 200 werden die Segmentzeiten genutzt, um eine Überwachung einer Laufunruhe des Verbrennungsmotors durchzuführen. In Schritt 201 werden Drehzahlgradienten als Differenzen aufeinanderfolgender Segmentzeiten tsegment bestimmt. In Schritt 202 wird überprüft, ob die Drehzahlgradienten einen vorgegebenen Schwellwert erreichen, insbesondere unterschreiten. Ist dies der Fall, wird somit ein Verbrennungsaussetzer des Verbrennungsmotors erkannt.
  • In Schritt 301 werden die Segmentzeiten tsegment für eine Bestimmung der Drehzahl des Verbrennungsmotors genutzt. In Schritt 401 werden die Segmentzeiten tsegment für eine Regelung einer Nockenwellenbewegung des Verbrennungsmotors genutzt.

Claims (11)

  1. Verfahren zur Bestimmung von Segmentzeiten eines Geberrads (10) eines Verbrennungsmotors, wobei das Geberrad (10) drehfest mit einer Kurbelwelle (11) des Verbrennungsmotors verbunden ist, wobei entlang des Umfangs des Geberrades (10) Markierungen (12a, 12b, 12c, 12d, 12e) angeordnet sind und wobei die Kurbelwelle (11) des Verbrennungsmotors während der Segmentzeiten vorbestimmte Winkelbereiche (SA, SB) überstreicht, wobei – Zahnzeiten als zeitliche Abstände zwischen jeweils zwei Markierungen (12a, 12b, 12c, 12d, 12e) des Geberrades (10) bestimmt werden (102), – auf die bestimmten Zahnzeiten eine Tiefpassfilterung angewendet wird und als Ergebnis der Tiefpassfilterung gefilterte Zahnzeiten bestimmt werden (103), – Segmentzeiten des Geberrads (10) als eine Summe gefilterter Zahnzeiten einer bestimmten Anzahl an aufeinanderfolgenden Markierungen (12a, 12b, 12c, 12d, 12e) des Geberrads bestimmt werden (104).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Grenzfrequenz des Tiefpassfilters derart gewählt wird, dass eine Zündfrequenz und tiefere Frequenzen des Verbrennungsmotors höchsten um einen Durchlasswert gedämpft werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Grenzfrequenz des Tiefpassfilters derart gewählt wird, dass die doppelte Zündfrequenz und höhere Frequenzen des Verbrennungsmotors mindestens um einen Dämpfwert gedämpft werden.
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Tiefpassfilter ein FIR-Filter ist.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Tiefpassfilter ein Gleitender-Mittelwert-Filter ist.
  6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mittels der bestimmten Segmentzeiten eine Überwachung einer Laufruhe des Verbrennungsmotors durchgeführt wird (200).
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei Drehzahlgradienten als Differenzen aufeinanderfolgender Segmentzeiten bestimmt werden (201) und überprüft wird, ob die Drehzahlgradienten einen vorgegebenen Schwellwert erreichen (202).
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei ein Verbrennungsaussetzer des Verbrennungsmotors erkannt wird, wenn die Drehzahlgradienten den vorgegebenen Schwellwert erreichen.
  9. Recheneinheit (15), die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
  10. Computerprogramm mit Programmcodemitteln, die eine Recheneinheit (15) veranlassen, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen, wenn sie auf der Recheneinheit (15), insbesondere nach Anspruch 9, ausgeführt werden.
  11. Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 10.
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