DE102013213705A1 - Verfahren zur Simulation eines Kurbelwellensignals einer Verbrennungskraftmaschine aus einem Nockenwellensignal der Verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Verfahren zur Simulation eines Kurbelwellensignals einer Verbrennungskraftmaschine aus einem Nockenwellensignal der Verbrennungskraftmaschine Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Simulation eines Kurbelwellensignals K(z) einer Verbrennungskraftmaschine aus einem Nockenwellensignal der Verbrennungskraftmaschine. Hierin wird in einem Normalbetrieb der Verbrennungskraftmaschine für mindestens einen Drehzahlbereich der Verbrennungskraftmaschine und/oder für mindestens einen Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine alle Zahnzeiten der Zähne z eines Kurbelwellenpositionsgeberrades eingelernt werden und aus diesen für jeden Zahn z ein Korrekturfaktor F(z) für den entsprechenden Drehzahlbereich und/oder Betriebszustand berechnet wird, und in einem Notbetrieb der Verbrennungskraftmaschine die Kurbelwellenposition aus dem Nockenwellensignal bestimmt wird und anschließend das Kurbelwellensignal simuliert wird, indem eine mittlere Periodendauer P(z) jedes Zahns z des Kurbelwellenpositionsgeberrades aus dem Nockenwellensignal bestimmt wird und jeweils mit dem Korrekturfaktor F(z) für diesen Zahn z multipliziert wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Simulation eines Kurbelwellensignals einer Verbrennungskraftmaschine aus einem Nockenwellensignal der Verbrennungskraftmaschine. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, das alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführt, wenn es auf einem Rechengerät abläuft. Außerdem betrifft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist zur Durchführung des Verfahrens, wenn das Programm auf einem Computer oder Steuergerät ausgeführt wird.
  • Stand der Technik
  • Die Position der Kurbelwelle einer Verbrennungskraftmaschine kann mittels eines Kurbelwellensensors ermittelt werden, welcher Zahnflanken eines mit der Kurbelwelle verbundenen Kurbelwellengeberrades erfasst. Ein typisches Kurbelwellengeberrad weist gleich verteilt 59 Zähne und eine Lücke auf (auch als 60-1 Zähne bezeichnet), was eine Bestimmung der Kurbelwellenposition mit einer Auflösung von 6° ermöglicht. Eine geeignete Software im Motorsteuergerät kann noch eine deutlich höhere Auflösung ermöglichen. Durch entsprechende Interpolationsmethoden kann die Simulation dieser höheren Auflösung noch weiter verbessert werden.
  • Bei Ausfall des Kurbelwellensignals wird im Notlauf der Verbrennungskraftmaschine auf ein redundantes System zur Bestimmung der Kurbelwellenposition umgeschaltet. Hierzu wird in der Regel das Nockenwellensignal verwendet. Die Auflösung des Nockenwellenpositionssignals ist jedoch deutlich geringer als die des Kurbelwellensignals, da Nockenwellengeberräder zur Gewährleistung einer Schnellstartfähigkeit in der Regel nur wenige Zahnflanken aufweisen. Damit kann in den meisten Systemen nur eine Auflösung von 180° erreicht werden. Angesichts dynamischer Einflüsse, die durch Kompression, Verbrennung und Gaswechselmomente auf die Verbrennungskraftmaschine einwirken, kann das Kurbelwellensignal aus dem Nockenwellensignal daher nur sehr ungenau simuliert werden. Um einen Motorschaden zu verhindern, muss deshalb im Notbetrieb das maximale Drehmoment der Verbrennungskraftmaschine stark eingeschränkt werden.
  • Offenbarung der Erfindung
  • In dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Simulation eines Kurbelwellensignals einer Verbrennungskraftmaschine aus einem Nockenwellensignal der Verbrennungskraftmaschine wird in einem Normalbetrieb der Verbrennungskraftmaschine für mindestens einen Drehzahlbereich der Verbrennungskraftmaschine und/oder für mindestens einen Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine alle Zahnzeiten der Zähne eines Kurbelwellengeberrades der Verbrennungskraftmaschine eingelernt und aus diesen für jeden Zahn ein Korrekturfaktor für den entsprechenden Drehzahlbereich und/oder den Betriebszustand berechnet. In einem Notbetrieb der Verbrennungskraftmaschine wird dann die Kurbelwellenposition aus dem Nockenwellensignal bestimmt und anschließend das Kurbelwellensignal simuliert, in der eine mittlere Periodendauer jedes Zahns des Kurbelwellenpositionsgeberrades aus dem Nockenwellensignal bestimmt wird und jeweils mit dem Korrekturfaktor für diesen Zahn multipliziert wird. Der Korrekturfaktor wird insbesondere in einem nicht flüchtigen Speicher, wie einem EEPROM oder einem Flash-Speicher eines Rechengeräts oder Steuergeräts der Verbrennungskraftmaschine abgelegt.
  • Es ist bevorzugt, dass für jeden Drehzahlbereich und/oder Betriebszustand der Korrekturfaktor F(z) für jeden Zahn z gemäß Formel 1 berechnet wird:
    Figure DE102013213705A1_0002
  • Hierin bezeichnet n die Summe der Anzahl der Zähne und der Zahnlücken des Kurbelwellenpositionsgeberrades und t(z) die Zahnzeiten der Zähne z des Kurbelwellenpositionsgeberrades. Unter einer Zahnlücke wird erfindungsgemäß die Auslassung jeweils genau eines Zahnes in einer äquidistanten Anordnung von Zähnen verstanden.
  • Das simulierte Kurbelwellensignal K(z) jedes Zahns z des Kurbelwellenpositionsgeberrades wird vorzugsweise nach Formel 2 berechnet: K(z) = F(z)·T(Φ)· φ(z) / Φ (Formel 2)
  • Hierin bezeichnet Φ den Winkel des Nockenwellenpositionsgeberrades, T(Φ) bezeichnet die Zahnzeit des Nockenwellenpositionsgeberrades bei dem Winkel Φ und φ(z) bezeichnet den Anteil des Winkels Φ, in dem das Kurbelwellensignal K(z) simuliert wird.
  • Es ist bevorzugt, dass in dem Normalbetrieb der Verbrennungskraftmaschine für mehrere Drehzahlbereiche der Verbrennungskraftmaschine alle Zahnzeiten der Zähne des Kurbelwellenpositionsgeberrades eingelernt werden und aus diesen für jeden Zahn ein Korrekturfaktor für den entsprechenden Drehzahlbereich berechnet wird. Weiterhin ist bevorzugt, dass in dem Normalbetrieb der Verbrennungskraftmaschine für mehrere Betriebszustände der Verbrennungskraftmaschine alle Zahnzeiten der Zähne des Kurbelwellenpositionsgeberrades eingelernt werden und aus diesen für jeden Zahn ein Korrekturfaktor für den entsprechenden Betriebszustand berechnet wird. Bei den Betriebszuständen kann es sich insbesondere um einen Schubbetrieb, einen Leerlauf oder um eine Befeuerung der Verbrennungskraftmaschine handeln.
  • Das erfindungsgemäße Computerprogramm führt alle Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens aus, wenn es auf einem Rechengerät oder Steuergerät abläuft. Um eine Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem vorhandenen Steuergerät zu ermöglichen, ohne daran bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen, ist das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt mit Programmcode vorgesehen, das auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist und zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dient, wenn das Programm auf einem Computer oder Steuergerät ausgeführt wird.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • 1 zeigt schematisch die Simulation eines Kurbelwellensignals aus einem Nockenwellensignal in einem Verfahren gemäß dem Stand der Technik.
  • 2 zeigt schematisch die Simulation eines Kurbelwellensignals aus einem Nockenwellensignal in einem Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung
  • Ein herkömmliches Verfahren zur Simulation eines Kurbelwellensignals aus einem Nockenwellensignal im Notbetrieb einer Verbrennungskraftmaschine ist in 1 dargestellt. Verschiedene Winkel Φ1, Φ2, Φ3, die durch die Anordnung der Zahnflanken des Nockenwellenpositionsgeberrades vorgegeben sind, werden vom Nockenwellensensor zu Zahnzeiten T(Φ1), T(Φ2), T(Φ3) erkannt, die vom jeweiligen Winkel Φ1, Φ2, Φ3 und von der Drehgeschwindigkeit der Nockenwelle abhängen. Aus diesem kann jeweils eine Periodendauer P(z) eines Kurbelwellenzahns gemäß Formel 3 simuliert werden: P(z) = T(Φ)· φ(z) / Φ (Formel 3)
  • Hierin bezeichnet φ(z) den Anteil des Winkels Φ, in dem die Periodendauer P(z) simuliert wird. Demnach kann in 1 φ(z)/Φ nach der Nockenwellenzahnzeit T(Φ1) fünf unterschiedliche Werte annehmen nach der Nockenwellenzahnzeit T(Φ2) zwölf unterschiedliche Werte annehmen. Da die Periodendauern P(z) jeweils innerhalb einer relativ langen Nockenwellenzahnzeit T(Φ1), T(Φ2), T(Φ3) als identische Inkremente simuliert werden, gelingt es diesen herkömmlichen Modellen nicht, dynamische Einflüsse auf die Verbrennungskraftmaschine abzubilden, sodass das simulierte Signal ungenau ist.
  • In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in einem Normalbetrieb der Verbrennungskraftmaschine für den in 2 dargestellten Drehzahlbereich D, alle Zahnzeiten t(z) der Zähne z des Kurbelwellenpositionsgeberrades eingelernt. Für ein herkömmliches Kurbelwellenpositionsgeberrad mit 59 Zähnen und einer Lücke (n = 60) kann eine mittlere Zahnzeit tmit gemäß Formel 4 berechnet werden, wenn es sich bei der Verbrennungskraftmaschine um einen 4-Zylindermotor handelt, bei dem eine Nockenwellenumdrehung zwei Kurbelwellenumdrehungen entspricht:
    Figure DE102013213705A1_0003
  • Der Korrekturfaktor F(z) jedes Zahns z kann dann gemäß Formel 5 berechnet werden:
    Figure DE102013213705A1_0004
  • Die Formeln 4 und 5 können auch vereinfachend zu Formel 1 zusammengefasst werden.
  • Zur Simulation des Kurbelwellensignals im Notbetrieb der Verbrennungskraftmaschine wird dann zunächst in herkömmlicher Weise gemäß Formel 3 die Periodendauer P(z) jedes Kurbelwellenzahns z berechnet. Die Nummer der Kurbelwellenzähne z ist in 2 jeweils in eckigen Klammern dargestellt und unter jeder Nummer ist der dazugehörige Korrekturfaktor F(z) dargestellt. Jede Periodendauer P(z) wird dann gemäß Formel 6 mit dem dazugehörigen Korrekturfaktor F(z) multipliziert, um das Kurbelwellensignal K(z) zu simulieren: K(z) = F(z)·P(z) (Formel 6)
  • Zur Vereinfachung dieser Berechnung können die Formeln 3 und 6 auch zu Formel 2 zusammengefasst werden.
  • Durch Anwendung eines Verfahrens gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung ist eine genauere Simulation des Kurbelwellensignals möglich, als wenn in herkömmlicher Weise nur die simulierte Periodendauer jedes Kurbelwellenzahns als Kurbelwellensignal verwendet würde. Dies ermöglicht unter anderem eine Verbesserung der Abgaswerte der Verbrennungskraftmaschine im Notlauf ohne Kurbelwellensignal.

Claims (9)

  1. Verfahren zur Simulation eines Kurbelwellensignals K(z) einer Verbrennungskraftmaschine aus einem Nockenwellensignal der Verbrennungskraftmaschine, wobei – in einem Normalbetrieb der Verbrennungskraftmaschine für mindestens einen Drehzahlbereich der Verbrennungskraftmaschine und/oder für mindestens einen Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine alle Zahnzeiten t(z) der Zähne z eines Kurbelwellenpositionsgeberrades eingelernt werden und aus diesen für jeden Zahn z ein Korrekturfaktor F(z) für den entsprechenden Drehzahlbereich und/oder Betriebszustand berechnet wird, und – in einem Notbetrieb der Verbrennungskraftmaschine die Kurbelwellenposition aus dem Nockenwellensignal bestimmt wird und anschließend das Kurbelwellensignal K(z) simuliert wird, indem eine mittlere Periodendauer P(z) jedes Zahns z des Kurbelwellenpositionsgeberrades aus dem Nockenwellensignal bestimmt wird und jeweils mit dem Korrekturfaktor F(z) für diesen Zahn z multipliziert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Drehzahlbereich und/oder Betriebszustand der Korrekturfaktor F(z) für jeden Zahn z gemäß der folgenden Formel berechnet wird
    Figure DE102013213705A1_0005
    wobei n die Summe der Anzahl der Zähne und der Zahnlücken des Kurbelwellenpositionsgeberrades bezeichnet.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die simulierte Kurbelwellensignal K(z) jedes Zahns z des Kurbelwellenpositionsgeberrades nach der folgenden Formel berechnet wird K(z) = F(z)·T(Φ)· φ(z) / Φ wobei Φ den Winkel des Nockenwellenpositionsgeberrades bezeichnet, T(Φ) die Zahnzeit des Nockenwellenpositionsgeberrades bei dem Winkel Φ bezeichnet und φ(z) den Anteil des Winkels Φ bezeichnet, in dem das Kurbelwellensignal K(z) simuliert wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Normalbetrieb der Verbrennungskraftmaschine für mehrere Drehzahlbereiche der Verbrennungskraftmaschine alle Zahnzeiten t(z) der Zähne z des Kurbelwellenpositionsgeberrades eingelernt werden und aus diesen für jeden Zahn z ein Korrekturfaktor F(z) für den entsprechenden Drehzahlbereich berechnet wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Normalbetrieb der Verbrennungskraftmaschine für mehrere Betriebszustände der Verbrennungskraftmaschine alle Zahnzeiten t(z) der Zähne z des Kurbelwellenpositionsgeberrades eingelernt werden und aus diesen für jeden Zahn z ein Korrekturfaktor F(z) für den entsprechenden Betriebszustand berechnet wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Betriebszustände ein Schubbetrieb, ein Leerlauf oder eine Befeuerung ist.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturfaktoren F(z) in einem nichtflüchtigen Speicher eines Rechengeräts oder Steuergeräts abgelegt werden.
  8. Computerprogramm, das alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausführt, wenn es auf einem Rechengerät oder Steuergerät abläuft.
  9. Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wenn das Programm auf einem Rechengerät oder Steuergerät ausgeführt wird.
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