DE102017110192B3

DE102017110192B3 - Verfahren zur Erkennung von Riemenschlupf

Info

Publication number: DE102017110192B3
Application number: DE102017110192.6A
Authority: DE
Inventors: Martin Heckel; Arno Bächstädt; Christian Hoffmann; Massimo Abrate; Vladimir Baranov
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2017-05-11
Filing date: 2017-05-11
Publication date: 2018-10-31
Anticipated expiration: 2037-05-12
Also published as: CN110573712A; US11220956B2; US20200056536A1; CN110573712B; WO2018206035A1

Abstract

Vorgeschlagen ist ein Verfahren zur Erkennung von Riemenschlupf eines einen Generator eines Verbrennungsmotors antreibenden Riementriebs, der einen betrieblich verstellbaren Riemenspanner (5) hat, der die Vorspannkraft des Riemens (4) in Abhängigkeit des erkannten Riemenschlupfs verstellt, wobei- der Drehzahlverlauf der Kurbelwelle während eines Winkelfensters (11) der Kurbelwelle von m • 360° erfasst und aus diesem Drehzahlverlauf ein Mittelwert (14) der Kurbelwellendrehzahl gebildet wird,- zeitlich unabhängig von der Drehzahlverlaufserfassung der Kurbelwelle der Drehzahlverlauf der Generatorwelle während eines Winkelfensters (12) der Generatorwelle von n • ü• 360° erfasst und aus diesem Drehzahlverlauf ein Mittelwert (15) der Generatorwellendrehzahl gebildet wird,- überprüft wird, ob das Drehzahlverhältnis zwischen dem Mittelwert der Kurbelwellendrehzahl und dem Mittelwert der Generatorwellendrehzahl innerhalb eines Sollbereichs liegt,- der Riemenspanner verstellt wird, falls das Drehzahlverhältnis außerhalb des Sollbereichs liegt,- und wobei m und n reelle Zahlen sind und ü das Übersetzungsverhältnis zwischen der Kurbelwellenriemenscheibe (1) und der Generatorriemenscheibe (2) ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung von Riemenschlupf eines einen Generator eines Verbrennungsmotors antreibenden Riementriebs, dessen Riemen eine auf der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors angeordnete Kurbelwellenriemenscheibe und eine auf der Generatorwelle des Generators angeordnete Generatorriemenscheibe umschlingt und der einen betrieblich verstellbaren Riemenspanner hat, der die Vorspannkraft des Riemens in Abhängigkeit des erkannten Riemenschlupfs verstellt.
Der in einen Nebenaggregate-Riementrieb eines Verbrennungsmotors mit Riemen-Start-Stopp-Funktion eingebundene Generator wird im Start- oder Boost-Betrieb des Verbrennungsmotors als antreibender Motor betrieben, der den Verbrennungsmotor startet bzw. mit zusätzlich antreibendem Drehmoment unterstützt. Im Rekuperationsbetrieb ist er in der Lage, Bremsenergie auf zu nehmen. Durch die hohe Drehmomentbelastung und die starken Wechselmomente des Startergenerators im Vergleich zum Betriebsverhalten eines Generators ohne motorischen Betrieb kann es zu unzulässig hohem Riemenschlupf kommen. Wie aus der EP 2 491 235 B1 bekannt, kann dies durch einen aktiv verstellbaren Riemenspanner und eine Regelung des Riemenschlupfs verhindert werden. Zur Erkennung von Riemenschlupf wird dabei die Drehzahldifferenz zwischen der Kurbelwelle und der Generatorwelle herangezogen. Falls diese Drehzahldifferenz einen Sollwert übersteigt, wird die Riemenvorspannung durch Verstellung des Riemenspanners erhöht.
Die Genauigkeit dieser Regelung kann jedoch dann unzureichend sein, wenn zum einen die beiden Drehzahlsignale der Kurbelwelle und der Generatorwelle zeitlich unabhängig voneinander erfasst und verarbeitet werden und wenn zum anderen der Verlauf dieser Drehzahlen ungleichmäßig schwankt, wie es bei Verbrennungsmotoren mit hoher Ungleichförmigkeit der Kurbelwellendrehzahl der Fall ist. Denn dann kann die Bildung der Drehzahldifferenz, die auf momentanen Drehzahlwerten basiert, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten erfasst und ins Verhältnis gesetzt wurden, zu einem verfälschten Ergebnis im Vergleich zum tatsächlichen Riemenschlupf führen. Die voneinander unabhängige Erfassung der Drehzahlsignale erfolgt insbesondere in separaten und mit zeitlichem Phasenversatz asynchron arbeitenden Steuergeräten für den Verbrennungsmotor und den Generator, wobei diese Steuergeräte nachfolgend kurz als Motor-ECU und Generator-ECU bezeichnet werden.
Die DE 10 2010 044 864 A1 offenbart einen Nebenaggregate-Riementrieb, bei dem die Position der Spannrolle im Hinblick auf möglichst geringe Reibungsverluste bedarfsgerecht einstellbar ist. Dabei soll unzulässiger Riemenschlupf durch Messung von Drehzahldifferenzen einzelner Riemenscheiben ermittelt und durch die Einstellung der Riemenvorspannung beseitigt werden.
Aus der DE 10 2014 220 926 A1 ist ein weiteres Verfahren zur Regelung des Riemenschlupfs eines Nebenaggregate-Riementriebs bekannt. Dabei wird in Abhängigkeit der Drehzahldifferenzen einzelner Riemenscheiben die Riemenspannung so verändert, dass sich der Riementrieb an der reibungsminimalen Schlupfgrenze befindet.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Erkennung von Riemenschlupf der eingangs genannten Art mit einer höheren Genauigkeit der Riemenschlupferkennung anzugeben.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Anspruchs 1, wobei kennzeichnend:

- der Drehzahlverlauf der Kurbelwelle während eines Winkelfensters der Kurbelwelle von m • 360° erfasst und aus diesem Drehzahlverlauf ein Mittelwert der Kurbelwellendrehzahl gebildet wird,
- zeitlich unabhängig von der Drehzahlverlaufserfassung der Kurbelwelle der Drehzahlverlauf der Generatorwelle während eines Winkelfensters der Generatorwelle von n • ü^-1 • 360° erfasst und aus diesem Drehzahlverlauf ein Mittelwert der Generatorwellendrehzahl gebildet wird,
- überprüft wird, ob das Drehzahlverhältnis zwischen dem Mittelwert der Kurbelwellendrehzahl und dem Mittelwert der Generatorwellendrehzahl innerhalb eines Sollbereichs liegt,
- der Riemenspanner verstellt wird, falls das Drehzahlverhältnis außerhalb des Sollbereichs liegt,
- und wobei m und n reelle Zahlen sind und ü das Übersetzungsverhältnis zwischen der Kurbelwellenriemenscheibe und der Generatorriemenscheibe ist.

Dadurch, dass die separaten Drehzahlinformationen an der Kurbelwelle und am Generator jeweils über einen Zeitraum von einer oder mehreren, auch nicht ganzzahligen Kurbelwellenumdrehungen bzw. Generatorwellenumdrehungen erfasst und gemittelt und die gemittelten Drehzahlen ins Verhältnis gesetzt werden, ist der bei der Verarbeitung der Drehzahlinformationen auftretende Phasenversatz nicht mehr relevant. Unter dem Begriff der Mittelwertbildung sind alle bekannten Rechenvorschriften zu verstehen, die zu dem damit gebildeten Mittelwert führen. Typische Mittelwerte sind das arithmetische, das geometrische und das quadratische Mittel.
Die Zahlen m und n sind vorzugsweise natürliche Zahlen und besonders bevorzugt gleich, wobei sie im üblichen Falle eines Viertaktmotors m = n = 2 betragen.
Unter dem Begriff Drehzahlverhältnis ist selbstverständlich nicht nur der Quotient, sondern auch die Differenz oder eine dazu mathematisch äquivalente Beziehung der ins Verhältnis gesetzten Drehzahlen zu verstehen.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Es zeigen:

1 einen Nebenaggregate-Riementrieb eines Verbrennungsmotors mit Startergenerator in schematischer Darstellung,
2 einen wesentlichen Ausschnitt der erfindungsgemäßen Erkennung von Riemenschlupf in einem Riementrieb gemäß 1.

Der in 1 dargestellte Nebenaggregate-Riementrieb umfasst eine auf der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors angeordnete Kurbelwellenriemenscheibe 1, eine auf der Generatorwelle eines als Startergenerator ausgebildeten Generators angeordnete Generatorriemenscheibe 2, eine Riemenscheibe 3 eines Klimakompressors als weiteres Nebenaggregat und einen die Riemenscheiben 1, 2 und 3 umschlingenden Riemen 4 sowie einen verstellbaren Riemenspanner 5, der einen die Vorspannung des Riemens 4 in Abhängigkeit von Riemenschlupf betrieblich verstellenden Aktuator 6 umfasst. Der Riemenspanner 5 spannt den Riemen 4 im generatorischen Leertrum entsprechend der auf der Kurbelwellenriemenscheibe 1 eingezeichneten Drehrichtung im Uhrzeigersinn. Die Übersetzung zwischen der Kurbelwellenriemenscheibe 1 und der Generatorriemenscheibe 2 beträgt ü und vorliegend 1/3,5.
Die Kurbelwellendrehzahl wird von einem Kurbelwellensensor erfasst und als Signal einer Motor-ECU 7 zugeführt, die den Verbrennungsmotor ansteuert. Die Generatorwellendrehzahl wird von einem Generatorwellensensor und vorliegend vom Hall-Sensor des Generators erfasst und als Signal einer Generator-ECU 8 zugeführt, die den Generator ansteuert.
Der Riemenspanner 5 wird von einer Riemenspanner-ECU 9 angesteuert. Die Motor-ECU 7, die Generator-ECU 8 und die Riemenspanner-ECU 9 kommunizieren miteinander über ein Datenbussystem, das vorliegend ein CAN-Bus 10 ist.
2 zeigt die zeitlich schwankenden Drehzahlverläufe der Kurbelwelle und der Generatorwelle, wie sie für einen modernen Verbrennungsmotor mit vergleichsweise hoher Drehungleichförmigkeit der Kurbelwelle typisch sind. Der Kurbelwellensensor erfasst den Drehzahlverlauf der Kurbelwelle während eines Winkelfensters 11 einer vollen Umdrehung der Kurbelwelle, d.h. für einen Winkel von 360° Kurbelwelle, kurz KW. Der Generatorwellensensor erfasst den Drehzahlverlauf der Generatorwelle während eines Winkelfensters 12, das zeitlich dem erfassten Winkelfenster der Kurbelwelle entspricht und übersetzungsbedingt 1 • ü^-1 = 3,5 Umdrehungen der Generatorwelle, d.h. 1260° Generatorwelle, kurz GW umfasst. Der gegenseitige Versatz 13 der beiden Winkelfenster 11 und 12 entspricht dem eingangs erwähnten Phasenversatz der Generator-ECU 8 und der Motor-ECU 7, der bei unterschiedlichen Drehwinkelwerten als Referenz und folglich zeitlich versetzten Drehzahlwerten zu einer falsch ausgewerteten Drehzahldifferenz zwischen Kurbelwelle und Generatorwelle führen würde.
Aus den erfassten Drehzahlverläufen der Kurbelwelle und der Generatorwelle werden in der Motor-ECU 7 ein Mittelwert 14 der Kurbelwellendrehzahl bzw. in der Generator-ECU 8 ein Mittelwert 15 der Generatorwellendrehzahl gebildet. Diese Mittelwerte 14, 15 werden als Signale via CAN-Bus 10 der Riemenspanner-ECU 9 übermittelt, wobei die Übermittlung über den CAN-Bus 10 mit einer zusätzlichen unbekannten Phasenverschiebung der Signale einhergehen kann.
Die Riemenspanner-ECU 9 ermittelt das Drehzahlverhältnis zwischen dem Mittelwert 14 der Kurbelwellendrehzahl und dem Mittelwert 15 der Generatorwellendrehzahl und überprüft, ob dieses Drehzahlverhältnis innerhalb oder außerhalb eines vorgegebenen Sollbereichs liegt. Im Falle von Riemenschlupf liegt das Drehzahlverhältnis außerhalb des Sollbereichs, woraufhin die Riemenspanner-ECU 9 den Aktuator 6 des Riemenspanners 5 im Sinne einer Erhöhung der Riemenvorspannkraft ansteuert.
Alternative oder optionale Verfahrensschritte:

- das Drehzahlverhältnis zwischen dem Mittelwert 14 der Kurbelwellendrehzahl und dem Mittelwert 15 der Generatorwellendrehzahl wird außerhalb der Riemenspanner-ECU 9, beispielsweise von der Motor-ECU 7 oder von der Generator-ECU 8 überprüft
- Erfassen und Integrieren der Drehzahlverläufe von Kurbelwelle und Generatorwelle über ein vorbestimmtes Zeitintervall und jeweiliges Integrieren zu einem Drehwinkel der Kurbelwelle und einem Drehwinkel der Generatorwelle
- Überprüfen, ob das Drehwinkelverhältnis zwischen dem Kurbelwellenwinkel und dem Generatorwellenwinkel innerhalb eines Sollbereichs liegt
- Anwendung des Verfahrens bei einem Nebenaggregate-Riementrieb mit einem Generator ohne motorischen Starter-/Boostbetrieb.

Claims

Verfahren zur Erkennung von Riemenschlupf eines einen Generator eines Verbrennungsmotors antreibenden Riementriebs, dessen Riemen (4) eine auf der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors angeordnete Kurbelwellenriemenscheibe (1) und eine auf der Generatorwelle des Generators angeordnete Generatorriemenscheibe (2) umschlingt und der einen betrieblich verstellbaren Riemenspanner (5) hat, der die Vorspannkraft des Riemens (4) in Abhängigkeit des erkannten Riemenschlupfs verstellt, wobei - der Drehzahlverlauf der Kurbelwelle während eines Winkelfensters (11) der Kurbelwelle von m • 360° erfasst und aus diesem Drehzahlverlauf ein Mittelwert (14) der Kurbelwellendrehzahl gebildet wird, - zeitlich unabhängig von der Drehzahlverlaufserfassung der Kurbelwelle der Drehzahlverlauf der Generatorwelle während eines Winkelfensters (12) der Generatorwelle von n • ü^-1 • 360° erfasst und aus diesem Drehzahlverlauf ein Mittelwert (15) der Generatorwellendrehzahl gebildet wird, - überprüft wird, ob das Drehzahlverhältnis zwischen dem Mittelwert (14) der Kurbelwellendrehzahl und dem Mittelwert (15) der Generatorwellendrehzahl innerhalb eines Sollbereichs liegt, - der Riemenspanner (5) verstellt wird, falls das Drehzahlverhältnis außerhalb des Sollbereichs liegt, - und wobei m und n reelle Zahlen sind und ü das Übersetzungsverhältnis zwischen der Kurbelwellenriemenscheibe (1) und der Generatorriemenscheibe (2) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass m und n natürliche Zahlen sind.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass für m und n gilt: $m = n = 2.$
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor von einer Motor-ECU (7) angesteuert wird, dass der Generator von einer Generator-ECU (8) angesteuert wird und dass der Riemenspanner (5) von einer Riemenspanner-ECU (9) angesteuert wird, wobei die Motor-ECU (7), die Generator-ECU (8) und die Riemenspanner-ECU (9) über ein Datenbussystem miteinander kommunizieren.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelwert (14) der Kurbelwellendrehzahl von der Motor-ECU (7) gebildet wird und dass der Mittelwert (15) der Generatorwellendrehzahl von der Generator-ECU (8) gebildet wird, wobei die Riemenspanner-ECU (9) das Drehzahlverhältnis zwischen dem Mittelwert (14) der Kurbelwellendrehzahl und dem Mittelwert (15) der Generatorwellendrehzahl bildet, überprüft, ob das Drehzahlverhältnis innerhalb des Soll-Bereichs liegt, und den Riemenspanner (5) zwecks dessen Verstellung ansteuert, falls das Drehzahlverhältnis außerhalb des Soll-Bereichs liegt.