DE19802109C2 - Verfahren zur Adaption von mechanischen Toleranzen bei der Zeitmessung an sich drehenden Wellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Adaption von mecha­ nischen Toleranzen bei der Zeitmessung an Kurbelwellen oder damit verbundenen Wel­ len von Brennkraftmaschinen.

Eine Möglichkeit der Zeitmessung besteht darin, die Welle selbst oder vorzugsweise ein damit verbundenes Geberrad mit Markierungen zu versehen und die Markierungen mittels eines Sensors abzutasten. Es wird die Zeit gemessen, innerhalb de­ rer sich die Welle um einen bestimmten Drehwinkel bzw. um ein bestimmtes Segment dreht. Damit können neben der Drehzahl auch Drehzahlschwankungen mit sehr hoher Auflösung abhängig vom Abstand der Markierungen auf dem Umfang der Welle oder des Geberrades erfaßt werden.

Solche Messungen werden beispielsweise bei Brennkraftmaschi­ nen verwendet, um anhand von kurzzeitigen Verlangsamungen der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle Verbrennungsaussetzer zu erkennen. Weisen jedoch die Markierungen oder das Geberrad mechanische Fehler oder Ungenauigkeiten auf, wie beispiels­ weise Winkelfehler der Segmente oder Fehler der Markierungs­ zähne des Geberrades, Scheibenschlag oder Abweichungen in der Zahnform, so wird die Winkelgeschwindigkeitsmessung ver­ fälscht. Als Folge davon können Fehldiagnosen bei der Ver­ brennungsaussetzererkennung auftreten.

Die Ermittlung von Adaptionswerten zur Korrektur derartiger Fehler ist beispielsweise in dem europäischen Patent EP 0 583 495 B1 derselben Anmelderin beschrieben.

Bei diesem Verfahren werden für ein Bezugssegment im Abstand von zwei Kurbelwellenumdrehungen die Segmentzeiten gemessen. Damit ist es möglich, eine allgemeine Änderung der Drehzahl­ tendenz, die sonst zu fehlerhaften Korrekturen führen würde, zu kompensieren. Die weiteren zwischen diesen beiden Messun­ gen gemessenen Segmentzeiten werden mit der Segmentzeit die­ ses Bezugssegmentes verglichen und in Abhängigkeit von der errechneten Zeitdifferenz wird ein Korrekturwert ermittelt, der zylinderindividuell eine Korrektur der gemessenen Seg­ mentzeit ermöglicht.

In DE 41 33 679 A1 ist ein Verfahren beschrieben, mit dessen Hilfe die bei der Herstellung eines Geberrades auftretenden Ungenauigkeiten der einzelnen Segmente auf elektronischem Weg korrigiert werden. Dazu werden im erkannten Schubbetrieb, wenn also keine Drehzahlschwankungen auftreten, die Zeitdauer der Abstände zwischen zwei Segementflanken gleicher Polarität gemessen und die so erhaltenen Werte abgespeichert. Diese Werte sind ein Maß für die unterschiedlichen Segmentlängen, sie werden bei den in Normalbetrieb der Brennkraftmaschine ablaufenden Berechnungen zur exakten Drehzahlermittlung be­ rücksichtigt.

Unter bestimmten Umständen können bei den bekannten Verfahren nach dem Stand der Technik Fehladaptionen auftreten, z. B. bei Brennkraftmaschinen, die mit einem Zweimassenschwungrad auf der Kurbelwelle ausgestattet sind. Neben der Entlastung der Kurbelwelle von unzulässigen Biegebeanspruchungen bewirkt ein solches Zweimassenschwungrad eine Verbesserung der Akustik und des Komforteindruckes. Das Zweimassenschwungrad kann als Feder-Masse-System aufgefaßt werden und besitzt somit eine u. a. von der Federsteifigkeit, den beiden Massen und den Reibwerten abhängige Eigenfrequenz. Bei kritischen Drehzahlen der Brennkraftmaschine (z. B. 2500 1/min) kann es dann zu ei­ ner Überlagerung von Schwingungen kommen, insbesondere wenn eine Schwingung der 1,5 Motorordnung überlagert ist. Diese Schwingung stört den Adaptionsalgorithmus und führt zu einer fehlerhaften Adaption der Zeitmeßwerte, wodurch fälschlicher­ weise auf Verbrennungsaussetzer erkannt wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, das aus dem Stand der Technik bekannte Adaptionsverfahren zu verbessern, so daß auch bei überlagerten Schwingungen eine genaue Zeit­ messung gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.

Durch Zuordnung von jeweils 2 Zylindern zu einem mechanischen Segment auf der Welle oder auf einem mit der Welle verbunde­ nen Geberrad erhält man zwei Adaptionswerte für das gleiche mechanische Segment. Ist der Unterschied zwischen diesen bei­ den Adaptionswerten größer als ein vorgegebener Schwellen­ wert, so wird der Adaptionsschritt als ungültig verworfen. Durch geeignete Applikation des Schwellenwertes lassen sich störende Schwingungen, wie sie bei Einsatz einer Kurbelwelle mit einem Zweimassenschwungrades auftreten können, bei der Adaption der Zeitmesswerte ausblenden.

Das Verfahren wird im folgenden anhand der Zeichnungsfiguren näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Geberrades mit zugeordnetem Sensor für eine 6-Zylinder- Brennkraftmaschine,

Fig. 2 eine Tabelle mit den Segmenten zugeordneten Abwei­ chungen der Adaptionswerte von einem Bezugssegment und

Fig. 3 ein Ablaufdiagramm für das erfindungsgemäße Adapti­ onsverfahren

In Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen GR ein ferromagnetische Zäh­ ne aufweisendes Geberrad bezeichnet, das auf einer nicht dar­ gestellten Kurbelwelle einer 6-Zylinder-Brennkraftmaschine montiert ist. Von einem induktiven Sensor SE wird während der Drehbewegung der Kurbelwelle ein Spannungssignal erzeugt, das mit dem Abstand der Zahnradstirnfläche schwankt. Das Geberrad GR bildet somit den Modulator zur Umformung der amplitudena­ nalogen Eingangsgröße Winkelgeschwindigkeit in ein frequenza­ naloges Signal. Die Nulldurchgänge dieses Signals enthalten ebenfalls die Information über den momentanen Winkel. Durch die Abfolge der Zahnlücken und der Zähne des Geberrads GR än­ dert sich das Magnetfeld.

Durch Aussparen von einem oder mehreren Zähnen auf dem Geber­ rad GR erhält man einen Bereich für eine Winkelreferenz, mit deren Hilfe der Absolutwinkel bestimmt werden kann. Als Stan­ dard bei Impulsgebern auf der Kurbelwelle von Brennkraftma­ schinen haben sich 60 Zähne minus einer Lücke von 2 Zähnen durchgesetzt.

Das in Fig. 1 dargestellte Geberrad GR für eine 6-Zylinder- Brennkraftmaschine ist in drei Segmente eingeteilt, die ent­ sprechend einem vollständigen Arbeitsspiel von 2 Kurbelwel­ lenumdrehungen (720°) jeweils 120° umfassen. Die Zylinder 1 und 6 sind dabei dem Segment SEG 1 + 6, die Zylinder 2 und 5 sind dem Segment SEG 2 + 5, die Zylinder 3 und 4 sind dem Seg­ ment SEG 3 + 4 zugeordnet. Diese Segmenteinteilung gilt für ei­ ne 6-Zylinder-Brennkraftmaschine mit der Zündfolge 1-5-3-6-2- 4. Die Drehrichtung des Geberrades GR ist mit einem Pfeilsym­ bol eingezeichnet.

In diesem Beispiel wird das Segment SEG 1 als fehlerfrei de­ finiert und dient damit als Referenz für die anderen Segmen­ te. Als Bezugssegment kann aber auch ein beliebiges Segment gewählt werden, vorteilhafterweise wird das erste in der Zün­ dreihenfolge der Zylinder ausgewählt. Auf Grund des identi­ schen mechanischen Segmentes für die Zylinder 1 und 6 sind die Adaptionswerte für das Segment SEG 1 + 6 annähernd gleich. Da den Zylindern 2 und 5 das Segment SEG 2 + 5 zugeordnet ist, sind auch die Adaptionswerte für das Segment SEG 2 + 5 annä­ hernd gleich. Analoges gilt für das Segment SEG 3 + 4. Hier sind die Adaptionswerte für das Segment 3 und 4 annähernd gleich.

Die Fig. 2 zeigt beispielhaft eine Tabelle, in welche die relativen Abweichungen der Adaptionswerte der einzelnen Seg­ mente vom Adaptionswert des Bezugssegmentes SEG 1 für eine bestimmte Brennkraftmaschine eingetragen sind. Die geringen Unterschiede der Werte für die jeweiligen Paare SEG 1 + 6 (Zylinder ZYL 1 + 6), SEG 2 + 5 (Zylinder ZYL 2 + 5), SEG 3 + 4 (Zylinder ZYL 3 + 4) sind durch Meßungenauigkeiten, Rauschen und nicht beeinflußbare Störungen begründet.

Falls eine Schwingung mit einer Frequenz der 1,5 Motorordnung überlagert wird, unterscheiden sich die Adaptionswerte glei­ cher mechanischer Segmente wesentlich mehr, als in der Tabel­ le nach Fig. 2 angegeben ist und eine Ausblendung der Adap­ tionswerte ist möglich.

Anhand der Fig. 3 wird der Ablauf des Adaptionsverfahrens näher erläutert.

In einem ersten Verfahrensschritt S1 wird überprüft, ob vor­ gegebene Adaptionsbedingungen erfüllt sind. Wie schon ein­ gangs beschrieben, können Zeitabweichungen bei aufeinander­ folgendenen Messungen von Winkelsegmenten unterschiedliche Ursachen haben. Sie können von einer tatsächlichen Änderung der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle stammen oder aber begründet sein durch fehlerhaft ungleiche Segmentgrößen zwi­ schen den einzelnen Kurbelwellenmarkierungen. Damit fest­ steht, daß die gemessenen Unterschiede tatsächlich aufgrund unterschiedlicher Segmentgrößen entstanden sind, müssen Ein­ flüsse, welche durch die Zündung und Verbrennung bedingt sind, ausgeschlossen werden. Die Fehlererkennung und Fehler­ korrektur gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird daher vorzugsweise während des Betriebszustands der Schubabschal­ tung durchgeführt.

Das Adaptionsverfahren kann außerdem auf einen bestimmten Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine eingeschränkt werden, um brennkraftmaschinenspezifische Störungen in bestimmten Drehzahlbereichen fernzuhalten. Um eine eventuell auftretende Fehladaption bei sich stark ändernder Drehzahl zu vermeiden, kann auch in solchen stark instationären Betriebszuständen die Berechnung neuer Adaptionswerte ausgeblendet werden.

Diese wiederholte Abfrage in Verfahrensschritt S1 vollzieht sich in einer Warteschleife.

Sind die Adaptionsbedingungen erfüllt, so wird im Verfahrens­ schritt S2 mittels eines beliebigen Verfahrens alle 2 Kurbel­ wellenumdrehungen eine Adaption der Segmentzeiten durchge­ führt. Hierzu eignet sich jedes bekannte Verfahren, mit dem Zeiten gemessen werden, innerhalb derer sich das Geberrad um einen vorgegebenen Winkel oder Segment dreht und aus dessen so erhaltenen Werten ein Korrekturfaktor (Adaptionsfaktor) abgeleitet wird. Wesentlich ist nur, daß bei der gegebenen Einteilung der Segmente Adaptionswerte während eines komplet­ ten Arbeitsspieles, entsprechend zweier Kurbelwellenumdrehun­ gen berechnet werden.

Vorzugsweise wird ein Verfahren verwendet, wie es in der EP 0 583 495 B1 beschrieben ist. Hierbei sind als Adaptionswerte zu Betriebsbeginn diejenigen Werte vorhanden, wie sie beim letzten Betrieb der Brennkraftmaschine als letzte ermittelte Werte gespeichert wurden. Nach der Ermittlung von neuen Adap­ tionswerten werden diese alten Adaptionswerte überschrieben. Beim allerersten Betrieb der Brennkraftmaschine werden die Adaptionswerte mit Initialisierungswerten vorbesetzt, vor­ zugsweise mit Null.

Anschließend wird die Segmentzeit des aktuellen Segments ge­ messen und überprüft, ob die gemessene Segmentzeit die Zeit des Bezugssegmentes (SEG 1) war. Dieses Segment wird als feh­ lerfrei definiert. Wurde nicht die Segmentzeit des Bezugsseg­ ments gemessen, so wird die nächste Segmentzeit gemessen. Dies wird solange wiederholt, bis das Bezugssegment vorliegt. Ist dies der Fall, wird die momentan gemessene Segmentzeit als Segmentzeit des Bezugssegments gespeichert.

Es werden nun in den folgenden Verfahrensschritten nacheinan­ der die Segmentzeiten der nachfolgenden Segmente gemessen, die den einzelnen Zylindern der Brennkraftmaschine logisch zugeordnet sind.

Ist für alle, den einzelnen Zylindern zugeordneten Segmenten die Segmentzeit ermittelt worden, so wird wiederum die Seg­ mentzeit des Bezugssegments - jetzt aber 2 Kurbelwellenumdre­ hungen später - gemessen und gespeichert.

In den darauffolgenden Verfahrensschritten werden nacheinan­ der die Adaptionswerte für die einzelnen, den Zylindern zuge­ ordneten Segmente ermittelt, wie es beispielsweise in der EP 0 583 495 B1 angegeben ist. Auf diese Weise werden Adaptions­ werte erhalten, die im Verfahrensschritt S3 des erfindungsge­ mäßen Verfahrens weiterverarbeitet werden.

Im Verfahrensschritt S3 wird geprüft, ob der Unterschied zwi­ schen zwei Adaptionswerten des gleichen mechanischen Segments größer als ein vorgegebener Schwellenwert ist. Hierzu wird z. B. der Betrag der Differenz zwischen dem Adaptionswert des Segments SEG 5 und dem Adaptionswert des Segments SEG 2 ge­ bildet. Ist dieser Betrag größer als der Schwellenwert, der auf dem Fahrzeugprüfstand durch Versuche oder durch eine Flottenerprobung appliziert wird, so wird dieser Adaptions­ schritt als ungültig verworfen (Verfahrensschritt S4).

Ebenso wird verfahren, wenn der Betrag der Differenz zwischen dem Adaptionswert des Segments SEG 3 und dem Adaptionswert des Segments SEG 4 oder der Betrag der Differenz zwischen dem Adaptionswert des Segments SEG 1 und dem Adaptionswert des Segments SEG 6 größer als der Schwellenwert ist. Es ist auf­ grund der eingangs genannten Gründe keine zuverlässige Adap­ tion der Zeitmesswerte möglich. Das Verfahren wird wieder mit Verfahrensschritt S1 fortgesetzt.

Ergibt die Abfrage in Verfahrensschritt S3 aber, daß jeweils der Unterschied zwischen zwei Adaptionswerten gleicher mecha­ nischer Segmente kleiner als der Schwellenwert ist, so wird der Adaptionsschritt als gültig erklärt und eine Filterung der Adaptionswerte durchgeführt (Verfahrensschritt S5). Die Filterung kann beispielsweise durch eine gleitende Mittelung erfolgen, wie es in der EP 0 583 495 B1 beschrieben ist.

Eine Mittelung ist empfehlenswert, da die systematischen Feh­ ler der Segmente mit zufälligen Fehlern wie Schwankungen des dem Steuerungssystem zugrunde liegenden Systemtakts, Toleran­ zen bei der Schaltgenauigkeit der Sensoren, allgemeine Schwingungen oder Störungen vom Antriebsstrang her, überla­ gert sein können.

Die so ermittelten Adaptionswerte werden gespeichert, indem die alten Werte überschrieben werden (Verfahrensschritt S6). Anschließend wird zum Anfang des Verfahrens (Verfahrensschritt S1) verzweigt.

Das Verfahren wurde anhand einer 6-Zylinder Brennkraftmaschi­ ne erläutert, es ist analog auch für Brennkraftmaschinen mit anderer Zylinderzahl, beispielsweise 4, 8 oder 12 anwendbar.

Es muß lediglich die Einteilung der Segmente und die Zuord­ nung der Zylinder entsprechend angepaßt werden.

Claims (7)

1. Verfahren zur Adaption von mechanischen Toleranzen bei der Zeitmessung an einer Kurbelwelle oder einer damit verbundenen Welle einer Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern,

• - wobei diese Welle oder ein damit verbundenes Geberrad in me­ chanische Segmente eingeteilt ist, die von einem zugeordneten Sensor abgetastet werden,
• - die Segmentzeiten gemessen werden, die die Welle benötigt, um sich um eine definierte Winkelspanne zu drehen,
• - aus den gemessenen Segmentzeiten alle zwei Umdrehungen der Welle Adaptionswerte zur Korrektur der Segmentzeiten berech­ net werden,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - jeweils zwei Zylinder (ZYL 1 + 6, ZYL 2 + 5, ZYL 3 + 4) ein und demselben mechanischen Segment (SEG 1 + 6, SEG 2 + 5, SEG 3 + 4) zugeordnet sind,
• - der Unterschied zwischen zwei aufeinanderfolgenden, unter­ schiedlichen Zylindern zugeordneten Adaptionswerten gleicher mechanischer Segmente (SEG 1 + 6, SEG 2 + 5, SEG 3 + 4) ermittelt und mit einem vorgegebenen Schwellenwert verglichen wird und
• - in Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleiches der Adaptions­ schritt entweder als gültig oder als ungültig bewertet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrag der Differenz zwischen den zwei Adaptionswerten ge­ bildet wird und bei Überschreiten des Schwellenwertes der Adaptionsschritt als ungültig verworfen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrag der Differenz zwischen den zwei Adaptionswerten ge­ bildet wird und bei Unterschreiten des Schwellenwertes die Adaptionswerte gefiltert und abgespeichert werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung der Adaptionswerte im Be­ triebszustand der Schubabschaltung der Brennkraftmaschine durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Berechnung der Adaptionswerte nur in­ nerhalb vorgebbarer Drehzahlgrenzen durchgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Berechnung der Adaptionswerte nur durchgeführt wird, wenn der Drehzahlgradient der Brennkraft­ maschine unterhalb eines vorgegebenen Grenzwertes liegt.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellenwert experimentell durch Fahrversuche ermittelt wird.