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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen bzw. Bestimmen einer Startart einer Verbrennungskraftmaschine und eine Anordnung zum Durchführen des Verfahrens. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Computerprogramm und ein maschinenlesbares Speichermedium zum Durchführen des Verfahrens.
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Stand der Technik
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Für den Betrieb einer modernen Verbrennungskraftmaschine ist es notwendig, dem elektronischen Motorsteuergerät, das die Verbrennungskraftmaschine ansteuert, Informationen über die momentane Motordrehzahl zur Verfügung zu stellen. So ist es bekannt, die Drehgeschwindigkeit einer Kurbelwelle der Maschine bzw. des Motors über einen induktiv wirkenden Sensor oder Hall-Geber zu erfassen. Dieser registriert vorbeistreichende metallische Markierungen und bestimmt über die Zeitdifferenz zwischen zwei Markierungen die Rotationsgeschwindigkeit.
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Bei einer herkömmlichen Verbrennungskraftmaschine, die nachstehend auch als Motor oder Maschine bezeichnet wird, werden Einspritzungen und Zündungen durch das Motorsteuergerät mithilfe einer Motorverwaltungssoftware gesteuert. Diese Software muss Kenntnis davon haben, in welcher Position bzw. in welcher Hubhöhe sich der Zylinder befindet, um Einspritzungen und Zündungen zu bewirken. Um dies zu erreichen, kann ein auf der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angebrachtes Geberrad, das eine Anzahl von Zähnen und eine Lücke am Umfang aufweist, verwendet werden. Ebenso kann in manchen Fällen ein Geberrad mit einigen Zähnen auf der Nockenwelle angebracht sein. Es werden dann Sensoren an diesen Geberrädern angebracht, die, wenn die Maschine arbeitet und damit die Kurbelwelle sich dreht, elektrische Signale erzeugen. Diese Geberräder haben ein festes Verhältnis zu der mechanischen Position der Maschine.
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In einem Arbeitszyklus bzw. Arbeitsgang, bspw. bei einem Viertaktmotor mit einem Zylinder, rotiert die Kurbelwelle zweimal, die Nockenwelle lediglich einmal. So kann eine Lücke auf dem elektrischen Signal der Kurbelwelle zweimal beobachtet bzw. erfasst werden. Daher kann über die Lücke zwar die Kurbelwellenposition, nicht jedoch der Arbeitstakt bestimmt werden. So ergeben sich bspw. ein oberer Totpunkt am Ende eines Kompressionstakts und ein oberer Totpunkt am Ende des Ausblas- bzw. Ausstoßtakts, die nicht durch die Zahnlückeninformation unterschieden werden können.
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Eine Software muss nunmehr die Lücke in dem Kurbelwellensignal mit einem Algorithmus erfassen und unterscheiden, ob dies die Lücke GAPO der ersten Umdrehung im Arbeitstakt oder die Lücke GAP1 in der zweiten Umdrehung im Arbeitstakt ist. Hierzu kann das Profil des Nockenwellensignals verwendet werden. Sobald die Software die Lücke bzw. den GAP identifiziert hat, wird die Software mit der Motorposition synchronisiert. Nunmehr kennt die Software die Position bzw. Hubhöhe des Zylinders und kann Einspritzungen und Zündungen zeitlich festlegen.
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Bei Systemen, die über beide Sensoren verfügen, ist es ebenfalls möglich, Sicherungsmodi zu unterstützen. Wenn bspw. das Kurbelwellensignal fehlerhaft ist, ist es bei speziellen Kurbelwellengeberräder immer noch möglich, die Software mit der Motorposition zu synchronisieren. Allerdings ist ggf. die Genauigkeit der Information, die durch die Motorverwaltungssoftware bereitgestellt wird, nicht sehr hoch und daher ist das Drehmoment in einem solchen Modus, der als Kurbelwellen-Sicherungsmodus bezeichnet werden kann, begrenzt.
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Entsprechend ist es, wenn ein Nockenwellensensorsignal fehlerhaft ist, immer noch möglich, den Motor mit dem Kurbelwellensignal alleine in einem Doppelzündungsmodus anzutreiben. Es ist ebenfalls möglich, die Lücke mit Software gesteuerten Verfahren, wie bspw. Testeinspritzungen, zu identifizieren, d. h. ob GAPO oder GAP1 vorliegt.
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Im preisgünstigen Zweirad-Segment steht üblicherweise nur ein Kurbelwellensensorsignal zur Verfügung, auch, wenn der Motor mehr als einen Zylinder aufweist. Um die Software mit der Motorposition zu synchronisieren, werden Softwaretechniken verwendet. Eine der bekannten Techniken besteht darin, die Saugrohr-Drucksignal-Information in Kombination mit dem Kurbelwellensensorsignal zu verwenden, um die Motorposition zu erfassen.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2014 206 182 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung einer Kurbelwellenposition einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem ein Drehzahlverlauf der Kurbelwelle über einer Zeit erfasst wird, wobei die Kurbelwellenposition durch Abgleich des Drehzahlverlaufs mit einem bekannten Drehzahlverlauf eines Arbeitsspiels der Brennkraftmaschine bestimmt wird. Der bekannte Drehzahlverlauf weist dabei einen für die Kurbelwellenposition charakteristischen Abschnitt auf.
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Während Systeme, die auf einem Geberrad mit Geschwindigkeitssensor basieren, die Lücke in den Zähnen der Geberräder nutzen, um eine Synchronisierung auf die absolute Position der Kurbel- oder Nockenwelle umzusetzen, haben Systeme, die auf einer Erfassung eines Generatorgeschwindigkeitssignal basieren, mangels einmaliger Lücke pro Umdrehung solche Möglichkeiten nicht. Besonders hier bieten sich ein Verfahren, wie dies in vorstehend genannter Druckschrift erläutert ist, zur Bestimmung der absoluten Wellenposition an.
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Zu beachten ist, dass die Eigenschaften, die in einem Signal zum Bestimmen der Motorposition enthalten sind, von dem eingesetzten Startverfahren abhängig sind. Bei einem kleinen Zweiradsystem sind bspw. ein elektromechanischer Starter und ein Kick-Starter bzw. ein Start durch Anschieben des Zweirads bekannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Anordnung gemäß Anspruch 11 vorgestellt. Es werden weiterhin ein Computerprogramm nach Anspruch 12 und ein maschinenlesbares Speichermedium gemäß Anspruch 13 vorgestellt. Ausführungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung.
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Mit dem beschriebenen Verfahren ist es möglich zu bestimmen, ob als Startart einer Verbrennungskraftmaschine, die hierin auch als Motor oder Maschine bezeichnet wird und mit einer Batterie gekoppelt ist, ein elektromechanischer Starter oder eine andere Startart verwendet wurde, insbesondere in der Startphase der Verbrennungskraftmaschine. Hierzu wird während der Startphase der Verbrennungskraftmaschine eine elektrische Größe der Batterie, bspw. die Spannung der Batterie, überwacht und es wird anhand des Verlaufs dieser elektrischen Größe während der Startphase die Startart bestimmt. So kann entschieden werden, ob ein Start mit einem elektromechanischen Starter oder auf andere Weise durchgeführt wurde. Damit ist die Möglichkeit gegeben, unterschiedliche Softwaretechniken zur Synchronisierung auf die absolute Position der Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine in Abhängigkeit der genutzten Startart zu verwenden.
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Üblicherweise weisen die unterschiedlichen Startarten verschiedene Drehzahlverläufe während des Startvorgangs auf. Diese Verläufe können ausgewertet und darin bestimmte Merkmale gesucht werden bzw. werden diese Verläufe dazu verwendet, neue Signalverläufe zu generieren, die eindeutige Merkmale an bestimmten Positionen der Kurbelwelle aufweisen, die einfach detektiert werden können. Neben verschiedener Drehzahlverläufe können auch diese Merkmale oder neuen Signalverläufe unterschiedlich für verschiedene Startarten ausfallen. Um entscheiden zu können, welche neuen Signalverläufe generiert werden müssen und auf welche Merkmale während des Startvorgangs geachtet werden muss, wird daher das Wissen darüber, welche Startart verwendet wurde, benötigt. Es muss vornehmlich zwischen einem Start mit elektromechanischem Starter und anderen Startarten unterschieden werden, da dieser eine hohe Energieaufnahme aufweist und damit die Batterie des Bordnetzes stark belastet. Diese Belastung sollte zur Schonung der Batterie möglichst kurz ausfallen. Die Synchronisierung für diese sollte Startart daher besonders schnell erfolgreich abgeschlossen werden. Hierfür muss der Synchronisierungs-algorithmus speziell auf die Merkmale eines typischen Starts mit elektro-mechanischem Starter angepasst werden.
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Da andere Startarten, wie bspw. ein Kickstarter-Start oder ein Start durch Anschieben des Fahrzeugs, keinen erhöhten Energiebedarf aufweisen, kann für diese ein gemeinsamer Algorithmus verwendet werden. Damit genügt die Information darüber, ob ein elektromechanischer Starter verwendet wird oder nicht. Das hierfür notwendige Verfahren zur Unterscheidung der Startarten ist Bestandteil dieser Anmeldung.
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Aus den erkannten Merkmalen und der Information, an welcher Stelle im Kurbelwellenpositionsverlauf sie zu finden sind, kann die Motorposition bestimmt werden, d. h. es kann bestimmt werden, in welcher Position bzw. in welchem Arbeitstakt sich der oder die Zylinder befinden. Auf dieser Grundlage kann eine Synchronisierung der Software, die zum Ansteuern der Verbrennungskraftmaschine vorgesehen ist, durchgeführt werden, d. h. die Zeitpunkte für Zündungen und Einspritzungen können vorgegeben werden.
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Das vorgestellte Verfahren stellt ein äußerst effizientes und schnelles Vorgehen dar, um die Information zu bekommen, ob ein elektromechanischer Starter verwendet wurde oder nicht. Diese Information wird dabei von bestehenden Signalen innerhalb des Motorsteuergeräts extrahiert. Es sind daher keine weiteren Sensorinformationen und zusätzliche Kosten erforderlich.
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Die Möglichkeit, diese Entscheidung treffen zu können, ohne dass weitere Sensoren erforderlich sind, ermöglicht es dem Nutzer, das Generatorsignal zu verwenden, um die Motorgeschwindigkeitsinformation zu extrahieren, und zwar bei allen Starteroptionen. Somit kann eine sehr genaue Motorgeschwindigkeitsinformation bei geringen Kosten bereitgestellt werden, während auf ein Geschwindigkeitssensor und ein Geberrad sowie zusätzliche Sensorik zur Identifizierung der Startart verzichtet werden kann.
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Der Hauptunterschied zwischen einem elektromechanischen Starter und anderen Startarten besteht darin, dass der elektromechanische Starter elektrische Energie benötigt. Daher wird eine Batterie benötigt, um solche Starter anzutreiben. Immer wenn der Starter aktiviert wird, fließt ein signifikanter Strom durch den Elektromotor des Starters. Dieser Strom bewirkt einen Spannungsabfall an dem Innenwiderstand der Batterie. Daher fällt die Batteriespannung auf einen niedrigeren Wert ab. Der erforderliche Strom hängt von dem Drehmoment ab, das der Starter benötigt, um den Motor anzutreiben. Der größte Anteil am Drehmoment wird dafür benötigt, die erste Bewegung des Motors zu initialisieren und den Motor gegen die Kompression anzutreiben. Die folgende Dekompression unterstützt die Bewegung des Starters. Daher ist ein geringerer Strom erforderlich. Diese Schwankung des Stroms führt zu einer vergleichbaren Schwankung der Batteriespannung.
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Die vorgestellte Anordnung dient zum Durchführen des Verfahrens und ist bspw. in Software und/oder Hardware implementiert. Die Anordnung kann bspw. in einem Steuergerät, bspw. einem Motorsteuergerät, integriert sein oder als solches ausgebildet sein.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend 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.
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Figurenliste
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- 1 zeigt in einem Graphen den Verlauf eines Motorgeschwindigkeitsignals während des Starts mit elektromechanischem Starter.
- 2 zeigt den Verlauf eines erzeugten Signals.
- 3 zeigt in einem Graphen die Eigenschaften eines Kickstarts.
- 4 zeigt in einem Graphen den Verlauf der Batteriespannung während des Betriebs eines elektromechanischen Starters.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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In 1 ist ein Verlauf eines Motorgeschwindigkeitssignals 10 wiedergegeben. In dem dargestellten Graphen ist an einer Abszisse 12 der Kurbelwellenwinkel [°CA] und an einer Ordinate 14 die Motorgeschwindigkeit [U/min], die durch eine Motordrehzahl bestimmt ist, aufgetragen.
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1 zeigt das Verhalten des Motorgeschwindigkeitssignals 10 eines EinZylinder-Systems eines Zweiradads mit elektromechanischem Starter während der Startphase. Die Darstellung zeigt, dass die Motorgeschwindigkeit während des Kompressionstakts abfällt und sich während der Dekompressionsphase stark erhöht.
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Es kann nunmehr vorgesehen sein, auf Grundlage des in 1 gezeigten Signals 10, das eine Information zur Motorgeschwindigkeit trägt, ein spezielles Signal zu erzeugen, um von dieser Geschwindigkeitsinformation Gebrauch zu machen. Auf diese Weise kann die Wirkung einer Kompression und einer Dekompression auf das Motorgeschwindigkeitssignal besonders einfach detektiert werden. Dieses spezielle Signal wird nachfolgend als erzeugtes Signal bezeichnet.
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2 zeigt einen beispielhaften Verlauf bzw. das beispielhafte Verhalten dieses erzeugten Signals 50. Dabei ist an einer Abszisse 52 die Zeit und an einer Ordinate 54 ein Verhältnis aufgetragen. In dem gezeigten Verlauf ist ein besonderes Muster 56 erkennen, das sich in dem erzeugten Signal 50 wiederholt. Dieses Muster 56 erscheint einmal um eine Kompression im oberen Totpunkt der Hochdruckphase eines Zylinders. Bei einem Zweiradsystem mit einem Zylinder ist genau ein solches Muster pro Arbeitsgang bzw. Arbeitszyklus zu erkennen.
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Dieses spezielle Muster 56 hat ein festes Verhältnis zu der mechanischen Motorposition. Somit kann die Software mit der Motorposition synchronisiert werden, sobald dieses Muster 56 im Signal 50 identifiziert wurde.
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Aus dem Geschwindigkeitssignal wird beispielsweise das gezeigte Signalmuster
56 konstruiert bzw. erzeugt, wie durch die nachstehende Gleichung ausgedrückt ist:
wobei t[i], t[j] die Flankenzeit aus dem Maschinengeschwindigkeitssignal repräsentiert. Diese Flankenzeit auf dem Maschinengeschwindigkeitssignal kann zwischen zwei steigenden Signalflanken, zwischen zwei fallenden Signalflanken oder zwischen allen Signalflanken (steigend zu fallend oder umgekehrt) gemessen werden. Alternativ kann die Maschinengeschwindigkeit auch direkt anstelle der Flankenzeiten verwendet werden, um das Signalmuster zu erzeugen.
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Die dargestellten Summen werden für zwei verschiedene Mengen von gemessenen Flankenzeiten berechnet. Um ein geeignetes Verhältnis der Zeiten t[i] oder t[j] zu erhalten, müssen diese nicht aufeinanderfolgend sein, können dies aber sein. Ebenfalls kann die Anzahl summierter Zeiten eins oder höher sein. In Abhängigkeit der ausgewählten Zeiten für Zähler und Nenner können verschiedene Verhältniseigenschaften erreicht werden. Ein Beispiel ist in 3 dargestellt. Die Wahl der Mengen für Zähler und Nenner kann in einer Weise gewählt werden, dass das resultierende Verhältnis der Summen das spezielle Muster zur Synchronisierung der Motorposition deutlich hervorhebt und so besodners geeignet detektierbar macht.
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Um diese Verläufe bzw. Kurven zu bewerten, kann die Amplitude des resultierenden Musters gegenüber einem kalibrierbaren Schwellenwert geprüft werden. Wenn die Amplitude größer als der kalibrierbare Schwellenwert ist oder kleiner, wenn der charakteristische Punkt ein Maximum bzw. Minimum ist, bedeutet dies, dass die Software die Motorposition gefunden hat. Dieser Schwellenwert hängt bspw. von Umgebungsbedingungen ab, wie bspw. der Motortemperatur, der Motorgeschwindigkeit, der Höhe usw., und kann durch Kalibrierung oder während der Laufzeit einfach angepasst werden. Anstelle der Verwendung eines kalibrierbaren Schwellenwerts kann das Verhältnismuster durch verschiedene andere signalverarbeitende Techniken, wie bspw. eine Kreuzkorrelation, bewertet werden, um bestimmte charakteristische Punkte zu finden.
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Wird anstelle dessen ein Kickstarter verwendet, ändert sich die Form des Motorgeschwindigkeitsverlaufs während des Starts vollständig. 3 zeigt einen solchen Verlauf.
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In 3 ist in einem Graphen ein Motorgeschwindigkeitsignal 100 dargestellt. In dem dargestellten Graphen ist an einer Abszisse 102 der Kurbelwellenwinkel [°CA] und an einer Ordinate 104 die Motorgeschwindigkeit [U/min], die durch eine Motordrehzahl bestimmt ist, aufgetragen.
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In 3 ist zu erkennen, dass der typische Effekt der Kompression und Dekompression auf den Verlauf des Motorgeschwindigkeitsverlaufs 100 während eines Kickstart-Vorgangs nicht von Anfang an zu sehen ist. Stattdessen ist die erste Zeit durch einen steilen Drehzahlanstieg resultierend aus der Kickbewegung geprägt. Erst nach Ende des eigentlichen Kickvorgangs und Überschreiten des Drehzahlmaximums während des Startvorgangs kann dieser Effekt aus Kompression und Expansion, wenn auch deutlich abgeschwächt gegenüber dem Drehzahlverlauf eines Starts mit elektromechanischem Starter, erfasst werden, frühestens also typischerweise nach einem Arbeitsspiel. Dies macht es erforderlich, ein weiteres Bewertungsmuster als im Fall mit elektromechanischem Starter zu konstruieren bzw. zu erzeugen. Hierfür kann ein Bewertungsmuster gewählt werden, mit dem auch andere Startarten, bspw. Starts durch Anschieben, ausgewertet werden können, sodass für andere Startarten als den Start mit elektromechanischem Starter ein gemeinsamer Algorithmus genügt.
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Lediglich zur Optimierung der Startzeit im Fall des elektromechanischen Starters, wie bereits vorstehend beschrieben, sollte hier ein eigener Algorithmus verwendet werden. Somit sollte der Musterberechnungsalgorithmus während des Starts unter Berücksichtigung der gewählten Startart , elektromechanischer Starter oder andere, ausgewählt werden. Daher ist es erforderlich, eine Möglichkeit zu haben, zu entscheiden, welcher Starter ausgewählt ist.
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Zumindest bei einer Vielzahl von kleinen, kostengünstigen Systemen mit Einzylinder-Motoren, aber auch bei anderen Systemen, wird keine Information darüber bereitgestellt, ob der Starterknopf gedrückt wurde oder nicht. Es steht auch keine Information durch irgendeinen Schalter oder andere Quellen zur Verfügung, ob der Kickstarter verwendet wurde. Daher ist diese Information aus anderen Signalen zu extrahieren. Diese Information kann vorzugsweise aus bereits bestehenden Signalen extrahiert werden, um weitere Kosten für zusätzliche Sensoren zu vermeiden.
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Da eine kurze Startzeit gefordert bzw. erwünscht ist, sollte die Information, welcher Starter verwendet wird, so früh wie möglich zur Verfügung stehen.
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4 zeigt das Verhalten bzw. den Verlauf einer Batteriespannung 150 während einer vollständigen Betriebsphase eines elektromechanischen Starters in einem Graphen. In diesem Graphen ist an einer Abszisse 152 die Messzeit [s] und an einer Ordinate 154 die Batteriespannung [V] aufgetragen. Weiterhin ist ein Beginn eines Starterbetriebs mit Bezugsziffer 156 verdeutlicht.
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Es zeigt sich, dass selbst während der ersten Grade einer Kurbelwellendrehung eine signifikante Batteriespannungs-Differenz messbar ist.
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Dieser Einbruch der Batteriespannung kann auf vielfältige Möglichkeiten detektiert werden. Beispielsweise kann darauf geschaut werden, ob die Batteriespannung während des Beginn des Startvorgangs unter einen bestimmten Schwellwert absinkt. Der Schwellwert kann dabei auf Basis von Umwelteinflüssen wie zum Beispiel der Umgebungstemperatur oder der mittleren Batteriespannung vor Beginn des Starts angepasst werden.
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Alternativ kann auch der Gradient der Batteriespannung ausgewertet werden. Fällt die Batteriespannung in einem kurzen Zeitraum stark, weist sie also einen großen negativen Gradienten auf, liegt der beschriebene Spannungseinbruch vor. Auch der mindestens erwartete Gradient kann in Abhängigkeit weiterer Einflüsse wie Temperatur oder Batteriespannung vor Start gewählt werden.
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Ebenfalls kann der typische Batteriespannungsverlauf während eines Start mit elektromechanischem Starter gespeichert werden und gegen diese Referenz verglichen werden, ob der gemessene Batteriespannungsverlauf dazu passt, bspw. mittels Kreuzkorrelation der zwei Verläufe. Auch hier kann eine Anpassung des Referenzverlaufs in Abhängigkeit äußerer Einflüsse vorgenommen werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Batteriespannung bereits vor Beginn des Startvorgangs zu betrachten und den maximal darin auftretenden Spannungswert abzuspeichern. Nach Beginn des Starts wird für die erste Zeit auf den kleinsten auftretenden Spannungswert geachtet und anhand der Differenz dieser beiden Spannungen entschieden, ob der deutliche Spannungseinbruch vorliegt oder nicht. Die hierbei zu erwartende Spannungsdifferenz kann anhand äußerer Einflüsse wie der Temperatur oder der mittleren Batteriespannung vor Start adaptiert werden.
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In typischen Motorsteuergeräten wird die Batteriespannung kontinuierlich gemessen. Somit stellt eine Bewertung bzw. Auswertung der Batteriespannung nach dem Erfassen der ersten Flanken im Geschwindigkeitssignal direkt die Information bereit, ob ein elektromechanischer Starter oder eine andere Startart verwendet wurde. Selbst vor Erreichen des oberen Totpunkts bei der ersten Kompression während der Hochdruckphase kann der erforderliche Algorithmus zur Berechnung eines Verhältnisses, wie er hierin beschrieben wird, verwendet werden und eine schnelle Synchronisierung kann durchgeführt werden. Damit wird eine möglichst kurze Betätigungszeit des elektromechanischen Starters realisiert und so die Belastung der Batterie durch dessen hohen Energiebedarf möglichst gering gehalten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014206182 A1 [0009]
