DE19814732A1 - Drehzahlerfassungsverfahren, insbesondere zur Verbrennungsaussetzererkennung - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zur hochaufgelösten Drehzahlerfassung bei mehrzylindrigen Brennkraftmaschinen vorgestellt, bei welchem Verfahren Segmentzeiten (ts), d. h. Zeiten in denen die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine vorbestimmte Winkelbereich überstreicht, erfaßt werden, DOLLAR A wobei im Schiebebetrieb erste Korrekturwerte gebildet und mit den Segmentzeiten so verknüpft werden, daß Abweichungen der Segmentzeiten unterschiedlicher Segmente im Schiebebetrieb ausgeglichen werden, DOLLAR A und wobei außerhalb des Schiebebetriebes auf der Basis der korrigierten Segmentzeiten weitere Korrekturwerte bestimmt werden und mit den korrigierten Segmentzeiten oder den ggf. weiterverarbeiteten korrigierten Segmentzeiten so verknüpft werden, daß die Abweichungen der korrigierten Segmentzeiten oder der ggf. weiterverarbeiteten korrigierten Segmentzeiten untereinander im aussetzfreien Betrieb ausgeglichen werden.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur hochaufgelösten Erfassung der Drehzahl einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine auf der Basis von Zeiten, in denen die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine vorbestimmte Winkelbereiche überstreicht. Diese Zeiten werden im folgenden auch als Segmentzeiten bezeichnet.

Die Kenntnis der genauen, d. h. hochaufgelösten Drehzahl ist insbesondere zur Erkennung von Verbrennungsaussetzern hilfreich.

Verbrennungsaussetzer führen zu einem Anstieg der im Betrieb des Verbrennungsmotors emittierten Schadstoffe und können darüber hinaus zu einer Schädigung eines Katalysators im Ab­ gastrakt des Motors führen. Zur Erfüllung gesetzgeberischer Forderungen zur On-Board-Überwachung abgasrelevanter Funk­ tionen ist eine Erkennung von Verbrennungsaussetzern im ge­ samten Drehzahl- und Lastbereich notwendig. In diesem Zusam­ menhang ist es bekannt, daß beim Betrieb mit Verbrennungs­ aussetzern charakteristische Änderungen des Drehzahlverlaufs des Verbrennungsmotors gegenüber dem Normalbetrieb ohne Aus­ setzer auftreten. Durch den Vergleich dieser Drehzahlverläu­ fe kann zwischen Normalbetrieb ohne Aussetzer und Betrieb mit Aussetzern unterschieden werden.

Ein auf dieser Basis arbeitendes Verfahren ist bereits aus der DE-OS 41 38 765 bekannt.

Nach diesem bekannten Verfahren ist einem bestimmten Bereich der Kolbenbewegung jedes Zylinders ein als Segment bezeich­ neter Kurbelwellenwinkelbereich zugeordnet. Realisiert wer­ den die Segmente bspw. durch Markierungen auf einem mit der Kurbelwelle gekoppelten Geberrad. Die Segmentzeit, in der die Kurbelwelle diesen Winkelbereich überstreicht, hängt un­ ter anderem von der im Verbrennungstakt umgesetzten Energie ab. Aussetzer führen zu einem Anstieg der zündungssynchron erfaßten Segmentzeiten. Nach dem bekannten Verfahren wird aus Differenzen von Segmentzeiten ein Maß für die Laufunruhe des Motors berechnet, wobei zusätzlich langsame dynamische Vorgänge, zum Beispiel der Anstieg der Motordrehzahl bei ei­ ner Fahrzeugbeschleunigung, rechnerisch kompensiert werden. Ein auf diese Weise für jede Zündung berechneter Laufunruhe­ wert wird ebenfalls zündungssynchron mit einem vorbestimmten Schwellwert verglichen. Ein Überschreiten dieses gegebenen­ falls von Betriebsparametern wie Last und Drehzahl abhängigen Schwellwerts wird als Aussetzer gewertet.

Die Zuverlässigkeit des Verfahrens hängt entscheidend von der Segmentzeitermittlung und damit von der Genauigkeit ab, mit der die Markierungen auf dem Geberrad bei der Fertigung hergestellt werden können. Weitere Fehlerquellen ergeben sich aus der Lage des Geberrades, d. h. aus der Exzentrizität seiner Anordnung auf der Kurbelwelle sowie aus der Abstand zwischen Geberrad und Induktivaufnehmer. Diese mechanischen Ungenauigkeiten können durch ein im Schiebebetrieb des Verbrennungsmotors durchgeführtes Adaptionsverfahren rechnerisch eliminiert werden. Ein solches Verfahren wird bspw. in DE 41 33 679 und DE 44 06 606 offenbart. Abweichungen der im Normalbetrieb außerhalb des Schiebebe­ triebes ermittelten und mit den Korrekturwerten verknüpften Segmentzeiten sind damit von Fertigungsungenauigkeiten des Geberrades unabhängig und deuten auf andere Ursachen, bspw. auf Torsionsschwingungen der Kurbelwelle hin.

Torsionsschwingungen sind der Drehbewegung der Kurbelwelle überlagert. Sie treten vornehmlich bei hohen Drehzahlen im gefeuerten Betrieb auf und führen zu einer systematischen Verlängerung oder Verkürzung der Segmentzeiten einzelner Zylinder, so daß bspw. die Aussetzererkennung erschwert wird. Aus diesem Grund und auch aufgrund zylinderindividueller Unterschiede durch Verschleiß oder Fertigungsungenauigkeiten bleibt auch nach der Geber­ radadaption ein Grundrauschen in Form einer Streubreite der Segmentzeiten erhalten, das nicht auf Aussetzer zurückzufüh­ ren ist. Von diesem Grundrauschen lassen sich wirkliche Aus­ setzer um so schlechter unterscheiden, je weniger sich ein­ zelne Aussetzer auf die Drehzahl der Kurbelwelle auswirken. Die Zuverlässigkeit der Aussetzererkennung sinkt daher mit steigender Zahl der Zylinder der Brennkraftmaschine und mit zunehmender Drehzahl sowie abnehmender Last ab.

Aus der DE 196 22 448 ist ein Verfahren bekannt, bei dem die Ermittlung der Korrekturwerte im gefeuerten Betrieb, d. h. im Normalbetrieb außerhalb des Schiebebetriebes, stattfindet.

Dieses Verfahren ist auch losgelöst von der Aussetzererkennung immer dann vorteilhaft verwendbar, wenn eine hochaufgelöste Drehzahlerfassung benötigt wird.

Die Aufgabe der Erfindung liegt in einer weiteren Verbesserung der hochaufgelösten Drehzahlerfassung hinsichtlich der Schnelligkeit, Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Korrekturwertbildung.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs gelöst.

Die Grundidee der Erfindung besteht darin, beide Lernverfahren so zu kombinieren, daß zunächst in einer ersten Stufe eine Segmentzeitkorrektur auf der Basis von im Schiebebetrieb gelernten Korrekturwerten erfolgt, daß Laufunruhewerte auf der Basis der korrigierten Segmentzeiten gebildet werden und daß anschließend in einer zweiten Verfahrensstufe eine Korrektur der Laufunruhewerte zur Kompensation der im gefeuerten Betrieb auftretenden Ungleichförmigkeiten erfolgt.

Im einzelnen werden die

• - Segmentzeiten mit im Schiebebetrieb gelernten Korrekturwerten korrigiert, wie es bspw. aus der R24686 und R26833 bekannt ist. D.H.: Es findet eine drehzahlabhängige oder drehzahlunabhängige Korrektur von Geberradfehlern in einer ersten Adaptionsstufe statt.
• - Danach werden auf der Basis dieser korrigierten Segmentzeiten Laufunruhewerte (lut) und ggf. gefilterte Laufunruhewerte (flut) berechnet.

Die so erhaltenen Werte werden weiter zur

• - Berechnung von Korrekturfaktoren für die Korrektur von Laufunruhewerten unter Last im gefeuerten Betrieb und zur Weiterverarbeitung zur Berechnung von Aussetzererkennungsalgorithmen mit den korrigierten Laufunruhewerten verwendet. Dies entspricht einer auf dem Ergebnis der ersten Adaptionsstufe aufbauenden zweiten Adaptionsstufe.

Aus dieser Vorgehensweise ergeben sich die folgenden Vorteile: Im Gegensatz zu den bisher bekannten fuel-on- Adaptions-Verfahren (Adaption unter Last im gefeuerten Betrieb) vergrößert sich die Sicherheit gegen fehlerhaftes Lernen. Die Möglichkeit eines fehlerhaften Lernens ergibt sich daraus, daß das Vorliegen von Normalbetrieb, d. h. von Betrieb ohne Verbrennungsaussetzern eine Voraussetzung einer korrekten fuel-on-Adaption ist. Liegt statt dessen Aussetzerbetrieb vor, besteht die Gefahr, daß Aussetzer die Ermittlung der Korrekturwerte beeinflussen. Die Erfindung verringert diesen potentiellen Fehler durch Lernen der Geberradfehler im Schiebebetrieb (Schub). Da die Fehler des Geberrades den größten Fehleranteil bilden, wird in der ersten Stufe bereits eine befriedigende Genauigkeit erreicht. Im Schub kann es nicht passieren, daß fälschlicherweise Werte, die durch Aussetzer beeinflußt sind gelernt werden.

In die nachfolgende Korrektur der Laufunruhewerte in der zweiten Adaptionsstufe gehen nur die zylinderindividuellen Unterschiede ein, die nicht auf Geberradeinflüssen basieren. Durch den kleinen Wertebereich der in der zweiten Adaptionsstufe gebildeten Korrekturfaktoren ist eine im Vergleich zur bisher bekannten Fuel-On-Adaption genauere Korrektur möglich.

Die Adaption kann darüberhinaus schneller einschwingen, da der Wertebereich der Korrekturfaktoren gegenüber der bisher bekannten Fuel-On-Adaption kleiner ist. Bei der Adaption der Geberradfehler im Schub können ggf. schnellere Filter verwendet werden, da das Risiko des fehlerhaften Lernens im Schub geringer ist als im Normalbetrieb.

Die Nacheinanderausführung beider Adaptionen (Schub, Normalbetrieb) erlaubt eine Auskopplung des Resultates der Geberradadaption für eine Zylindergleichstellungsfunktion. Ziel einer Zylindergleichstellung ist es, den Momentenbeitrag der einzelnen Zylinder zu vergleichmäßigen, bspw. über einen Eingriff auf die zylinderindividuell zugemessene Kraftstoffmenge bei einem Motor mit Direkteinspritzung.

Diese Auskopplung basiert auf folgendem Hintergrund: Geberradeinflüsse täuschen eine physikalisch nicht vorhandene Ungleichförmigkeit der Drehung nur vor.

Sie sollen daher die Aussetzererkennung nicht beeinflussen und auch nicht bei der Zylindergleichstellung berücksichtigt werden.

Torsionsschwingungen und zylinderindividuell unterschiedliche Drehmomentbeiträge gehen dagegen mit einer physikalischen Ungleichförmigkeit der Drehung einher.

Diese sollen die Aussetzererkennung ebenfalls nicht beeinflussen und sollten daher im Laufunruhesignal für die Aussetzererkennung kompensiert werden. Andererseits sollten sie als echte physikalische Drehzahlschwankung bei der Zylindergleichstellung berücksichtigt werden. Mit anderen Worten: Das für die Aussetzererkennung optimierte Ergebnis der fuel on Adaption ist für Zylindergleichstellung nur bedingt geeignet, da es die Störungen in der Signalverarbeitung kompensiert und damit einer echten physikalischen Reaktion auf die Störungen entgegenwirkt.

Die erfindungsgemäße Aufteilung des Lernvorgangs ermöglicht eine parallele Optimierung der Aussetzererkennung durch Beibehalten der fuel-on-Adaption und einer Zylindergleichstellungsfunktion, die auf der Geberadadaption im Schub basiert, ohne Beeinträchtigung durch die Wirkung der fuel on Adaption.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in der folgenden Beschreibung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 stellt die Erfindung in Form einer Anordnung von Funktionsblöcken dar. Fig. 2 verdeutlicht das bekannte Prinzip der Bildung von Segmentzeiten als Basis eines Maßes für die Laufunruhe auf der Basis von Drehzahlmessungen. Fig. 3 verdeutlicht den Einfluß von Torsionsschwingungen auf die Ermittlung der Laufunruhewerte.

Fig. 1 zeigt eine Brennkraftmaschine 1 mit einem Winkelge­ berrad 2, das Markierungen 3 trägt, sowie einen Winkelsensor 4, ein Kraftstoffeinspritzventil 5, ein Steuergerät 6 und eine Fehlerlampe 7. Die Drehbewegung des mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine gekoppelten Winkelgeberrades wird mit Hilfe des als Induktivsensor realisierten Winkelsensors 4 in ein elektrisches Signal umgewandelt, dessen Periodizität ein Abbild des periodischen Vorbeistreichens der Markierungen 3 am Winkelsensor 4 darstellt. Die Zeitdauer zwischen einem Anstieg und einem Abfall des Signalpegels entspricht daher der Zeit, in der sich die Kurbelwelle über einen dem Ausmaß einer Markierung entsprechenden Winkelbereich weitergedreht hat. Diese Zeitdauern werden in dem als Rechner realisierten Steuergerät 5 zu einem Maß Lut für die Laufunruhe der Brennkraftmaschine weiterverarbeitet. Ein Beispiel einer Lut-Berechnung wird weiter hinten vorgestellt. Fig. 1 zeigt außerdem einen Block 6.1, der die Geberradadaption repräsentiert, einen Block 6.2, der die erweiterte Adaption im gefeuerten Betrieb darstellt, einen Block 6.3, der die Funktion der Aussetzererkennung und statistischen Auswertung darstellt, sowie einen Block 6.4, der weitere Steuergerätefunktionen, insbesondere eine Funktion zur Zylindergleichstellung repräsentiert.

Die Funktion des Blockes 6.1 läßt sich folgendermaßen skizzieren: Für die Geberradadaption können bei einem Viertakt-Verbrennungsmotor mit z Zylindern im Schiebebetrieb pro Kurbelwellenumdrehung bspw. z/2 Segmentzeiten gebildet werden. Eines der bspw. drei Segmentzeiten (für z bspw. = 6) wird als Referenzsegment betrachtet. Die Abweichungen der Segmentzeiten der beiden übrigen Segmente zur Segmentzeit des Referenzsegmentes werden ermittelt. Aus den Abweichungen werden Korrekturwerte so gebildet, daß die mit den Korrekturwerten verknüpften, im Schiebebetrieb ermittelten Segmentzeiten untereinander gleich sind. Für weitere Einzelheiten wird auf die DE 41 33 679 und DE 44 06 606 Bezug genommen.

Block 6.2 repräsentiert die Adaption im gefeuerten Betrieb, d. h. die Bildung von Korrekturwerten im Rahmen einer erweiterten Adaption im fuel on Betrieb. Ihre Funktion läßt sich wie folgt skizzieren: Bei mehrzylindrigen Brennkraftmaschinen wird auf der Basis von Segmentzeiten ein Maß für die Laufunruhe der Brennkraftmaschine zylinderindividuell gebildet. Ein Beispiel für die Bildung eines Laufunruhewertes wird weiter unten dargestellt. Zusätzlich werden im aussetzerfreien Betrieb aus zylinderindividuellen Laufunruhewerten zylinderindividuelle Korrekturwerte so ge­ bildet, daß die mit den Korrekturwerten verknüpften zylinderindividuellen Laufunruhewerte untereinander gleich werden.

Dazu können bspw. Mittelwerte der korrigierten Laufunruhewerte gebildet werden, Abweichungen einzelner korrigierter Laufunruhewerte vom Mittelwert gebildet werden und zu neuen Korrekturwerten durch additive Verknüpfung der Abweichung mit dem alten Korrekturwert verarbeitet werden. Für die Offenbarung von Einzelheiten wird auf die DE 196 22 448 Bezug genommen.

Block 6.3 repräsentiert eine Aussetzererkennung. Diese kann bspw. durch einen Vergleich der Laufunruhewerte vom Block 6.2 oder der Segmentzeiten vom Block 6.1 mit einem ggf. von Betriebsparametern wie Last und/oder Drehzahl abhängigen Schwellwert realisiert sein. Überschreitet die Laufunruhe oder die Segmentzeit den Schwellwert, wird dies als Aussetzer gewertet, der durch die Fehlerlampe 7 angezeigt werden kann. Dabei erfolgt die Anzeige nicht für jeden einzelnen Aussetzer, sondern bspw dann, wenn die Rate der Aussetzer einen weiteren Schwellwert überschreitet.

Erfindungswesentlich ist die Auskopplung des Signals zwischen den beiden Adaptionsstufen der Blöcke 6.1 und 6.2 für die Verwendung in weiteren Funktionen im Block 6.4, der insbesondere eine Zylindergleichstellungsfunktion darstellt. Diese arbeitet bspw. so, daß die um Geberradungenauigkeiten bereinigten Ausgangssignale des Blockes 6.1 die zylinderindividuellen Kraftstoffzumeßsignale ti so beeinflussen, daß die Drehmomentenbeitragsunterschiede der einzelnen Zylinder verkleinert werden.

Die Fig. 2a zeigt eine Einteilung des Winkelgeberrades in vier Segmente, wobei jedes Segment eine vorbestimmte Zahl von Markierungen aufweist. Die Markierung OTk ist demjenigen oberen Totpunkt der Kolbenbewegung des k-ten Zylinders eines in diesem Beispiel achtzylindrigen Verbrennungsmotors zuge­ ordnet, der im Verbrennungstakt dieses Zylinders liegt. Um diesen Punkt herum ist ein Drehwinkelbereich ϕk definiert, der sich in diesem Beispiel über ein Viertel der Markierun­ gen des Winkelgeberrades erstreckt. Analog sind den Verbren­ nungstakten der übrigen Zylinder Winkelbereiche ϕ1 bis ϕ8 zugeordnet, wobei hier vom Viertaktprinzip ausgegangen wird, bei dem sich die Kurbelwelle für einen vollständigen Ar­ beitszyklus zweimal dreht. Daher entspricht beispielsweise der Bereich ϕ1 des ersten Zylinders dem Bereich ϕ5 des fünf­ ten Zylinders usw. Die zu einer Kurbelwellenumdrehung zuge­ hörigen Winkelbereiche können voneinander getrennt sein, sich aneinander anschließen oder auch überlappen. Im ersten Fall gibt es Markierungen, die keinem Winkelbereich zugeord­ net sind, im zweiten Fall gehört jede Markierung zu genau einem Winkelbereich und im dritten Fall können jeweils die­ selben Markierungen verschiedenen Winkelbereichen zugeordnet sein. Beliebige Längen und Lagen der Winkelbereiche sind so­ mit möglich.

In der Fig. 2b sind die Zeiten ts aufgetragen, in denen die Winkelbereiche durch die Drehbewegung der Kurbelwelle über­ strichen werden. Dabei ist ein Aussetzer im Zylinder k ange­ nommen. Der mit dem Aussetzer verbundene Drehmomentausfall führt zu einem Anstieg der zugehörigen Zeitspanne ts. Die Zeitspannen ts stellen damit bereits ein Maß für die Laufun­ ruhe dar, das prinzipiell zur Erkennung von Aussetzern ge­ eignet ist. Durch eine geeignete Verarbeitung der Zeitspan­ nen ts, insbesondere durch die Bildung von Differenzen be­ nachbarter Zeitspannen und Normieren dieser Differenzen auf die dritte Potenz der Zeitspanne tsi zu einem Zündtakt mit Index i erhält der Laufunruhewert die Dimension einer Be­ schleunigung und weist, wie sich empirisch gezeigt hat, ein verbessertes Signal/Rausch-Verhältnis auf.

Fig. 2c verdeutlicht den Einfluß von Drehzahländerungen auf die Erfassung der Zeitdauern ts. Dargestellt ist der Fall einer Drehzahlabnahme, wie sie typischerweise im Schiebebe­ trieb eines Kraftfahrzeuges auftritt. Zur Kompensation die­ ses Effektes, der sich in einer verhältnismäßig gleichförmi­ gen Verlängerung der erfaßten Zeiten ts äußert, ist es bei­ spielsweise bekannt, einen Korrekturterm D zur Dynamikkom­ pensation zu bilden und so bei der Berechnung des Laufunru­ hewertes zu berücksichtigen, daß der Verlängerungseffekt kompensiert wird.

Ein derart korrigierter Laufunruhewert für den Zündtakt i eines achtzylindrigen Motors kann bspw. nach folgender Vor­ schrift berechnet werden:
Lut(i) = Basisterm B - Korrekturterm K zur Dynamikkompensa­ tion

Verallgemeinert auf z Zylinder lautet die entsprechende Vor­ schrift:

mit (z) = Zahl der Zylinder der Brennkraftmaschine.

Fig. 3 zeigt Laufunruhewerte, die bspw. nach der angegebenen Vorschrift berechnet sein können, für verschiedene Zündtakte i = 1 bis 10 eines Vierzylindermotors. Dabei tritt systema­ tisch beim Zylinder mit der Nummer 3 eine Zunahme der Seg­ mentzeit auf, die im dargestellten Fall bereits recht nahe an den Laufunruheschwellwert Lur heranführt. Diese Zunahme kann bspw. durch eine Torsionsschwingung hervorgerufen wer­ den. Torsionsschwingungen treten vornehmlich bei hohen Dreh­ zahlen auf und führen zu einer systematischen Verlängerung oder Verkürzung der Segmentzeiten einzelner Zylinder, so daß die Aussetzererkennung erschwert wird.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann dieser Effekt, der den Störabstand bei der Aussetzererkennung verringert, bei der Aussetzererkennung rechnerisch kompensiert werden, ohne das Eingangssignal für eine Zylindergleichstellungsfunktion zu verfälschen.

Claims (2)

1. Verfahren zur hochaufgelösten Drehzahlerfassung bei mehrzylindrigen Brennkraftmaschinen, bei welchem Verfahren Segmentzeiten (ts), d. h. Zeiten in denen die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine vorbestimmte Winkelbereiche überstreicht, erfaßt werden,
wobei im Schiebebetrieb erste Korrekturwerte gebildet und mit den Segmentzeiten so verknüpft werden, daß Abweichungen der Segmentzeiten unterschiedlicher Segmente im Schiebebetrieb ausgeglichen werden,
und wobei außerhalb des Schiebebetriebes auf der Basis der korrigierten Segmentzeiten weitere Korrekturwerte bestimmt werden und mit den korrigierten Segmentzeiten oder den ggf. weiterverarbeiteten korrigierten Segmentzeiten so verknüpft werden, daß die Abweichungen der korrigierten Segmentzeiten oder der ggf. weiterverarbeiteten korrigierten Segmentzeiten untereinander im aussetzerfreien Betrieb ausgeglichen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zylindergleichstellungsfunktion auf der Basis der mit den ersten Korrekturwerten verknüpften Segmentzeiten arbeitet und eine Aussetzererkennungsfunktion auf der Basis der mit den ersten und weiteren Korrekturwerten verknüpften Segmentzeiten oder verarbeiteten Segmentzeiten arbeitet.