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Technisches Gebiet
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Die
Drehunförmigkeit
einer Verbrennungskraftmaschine macht als Istwertgröße für einen
Leerlaufregler eines elektronischen Dieseleinspritzsystems beispielsweise
die Ermittlung einer mittleren Drehzahl erforderlich. Drehzahlschwankungen,
die aus einer Verzögerung
der Kurbelwelle während
der Kompressionsphase und einer Beschleunigung der Kurbelwelle während der
Verbrennungsphase resultieren, sind für den Leerlaufregler nicht
relevant und werden daher ausgefiltert.
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Stand der Technik
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Die
DE 39 39 113 A1 offenbart
ein Verfahren zur anpassbaren Drehzahlverarbeitung. Bei diesem Verfahren
zur Drehzahlverarbeitung bei einer Brennkraftmaschine wird ein Segmentrad
von einem Sensor abgetastet. In einer Auswerteschaltung wird aus mehreren
Segmentdrehzahlen eine mittlere Drehzahl gebildet, die nach einem
speziellen Algorithmus berechnet wird. Die zur Lösung des Algorithmus erforderlichen
Nebenbedingungen werden in Abhängigkeit
von den Anforderungen an die Drehzahlerfassung festgelegt. Die relevanten
Nebenbedingungen sind das Verstärkungsverhalten
für tiefe
Frequenzen, des weiteren eine Mittelwertbildung für tiefe
Frequenzen sowie die Vorgabe einer Phasenvoreilung bei einer bestimmten
ausgewählten
Frenquenz.
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Mittels
dieses Verfahrens zur Drehzahlermittlung werden die zeitdiskret
ermittelten Drehzahlwerte mit entsprechenden Gewichtsfaktoren aufsummiert.
Es ergibt sich ein rein lineares Übertragungsverhalten. Diese
segmentweise Ermittlung der Drehzahl und deren anschliessende Filterung
ergibt eine deutliche Phasenverzögerung
der tatsächlichen Drehzahl.
Eine mit einer solchen Phasenverzögerung einhergehende Regelung
wirkt sich auf die zu erzielende Bandbreite des Reglers nachteilig
aus. Der Regler muß entweder
sehr schmalbandig, d. h. mit einer geringen Steifigkeit, ausgelegt
werden oder aber er wird nahe seiner Stabilitätsgrenze betrieben, was wiederum
zu einem unruhigen Motorlauf führt. Die
geringe Steifigkeit des Reglers ist vor allem beim Anfahrvorgang
des Fahrzeuges sehr nachteilig, da die Verbrennungskraftmaschine
sehr leicht abzuwürgen
ist.
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Die
DE 197 33 958 A1 zeigt
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Korrektur von Toleranzen
eines Geberrades. Dazu werden Abweichungen der einzelnen Segmentzeiten
von einem Mittelwert bestimmt. Zudem werden die Messwerte frequenzselektiv
gefiltert.
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Darstellung der Erfindung
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Mittels
des erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Verfahrens ist bei der Ermittlung eines Drehzahlwertes ein nahezu
phasenverlustfreies Herausfiltern der Drehunförmigkeit der Verbrennungskraftmaschine
aus dem Drehzahlsignal möglich.
Das Drehzahlsignal wird dabei durch Abtastung eines mit einer Welle
der Verbrennungskraftmaschine umlaufendes Geberrades, das eine Anzahl
von Winkelmarken aufweist, erzeugt. Die Zahl der Winkelmarken und
damit ihre Winkellänge
ist an die Zylinderzahl der Verbrennungskraftmaschine angepaßt.
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Der
Abstand zwischen vorgebbaren Flanken der Winkelmarken oder der Abstand
Winkelmarke plus nachfolgende Lücke
wird dabei als Segment bezeichnet. Es kann ein Segment auch durch
eine Anzahl von Winkelmarken plus zugehörigen Lücken gebildet werden (bei einem
Inkrementgeber mit einer Vielzahl von Winkelmarken z. B.), die Anzahl
von Segmenten wird dann wiederum an die Zylinderzahl angepaßt. Das
Geberrad und ein zugehöriger
Aufnehmer werden üblicherweise
als Segmentgeber bezeichnet. Aus der Unterscheidung geradzahliger
und ungeradzahliger Segmente kann die Filterfunktion derart umgeschaltet
werden, daß die
ermittelten Werte im geraden Segment ungefiltert übernommen
werden können,
so daß keine
Phasenverluste auftreten. Im ungeradzahligen Segment hingegen wird
die Stetigkeit des Drehzahlsignals dadurch gewährleistet, daß eine Extrapolation
des Drehzahlwertes des letzten geradzahligen Segments durchgeführt wird.
Die Auswertung der ungeradzahligen Segmente wird dadurch optimiert,
daß ein
plausibler extrapolierter Wert des letzten geradzahligen Segments
die Auswertung des ungeradzahligen Segments ohne Erzeugung einer
Phasenverzögerung
ersetzt.
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Beim
erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren
erfolgt eine Mittelung der Drehzahl, die mit den Vorteilen verbunden
ist, daß Meßfehler
des Geberrades sowie Abtastfehler einerserseits vermieden werden
sowie das aus der Aufsummation über
ein bestimmtes Winkelsegment erhaltene Signal auch eine Tendenz über eine
zu erwartende Signaländerung
enthält,
so daß es
sich deutlicher von dem überlagerten
Signalrauschen abhebt.
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Die
Unterteilung der Segmentdrehzahl in geradzahlige und ungeradzahlige
Bereiche ist deshalb so bedeutsam, weil bei jedem zweiten Segment,
mithin bei allen geradzahligen Segmenten, in einer Diesel- oder
auch einer Benzineinspritzanlage das Einspritzsteuergerät (EDC)
einen Mengenstellwert für die
einzuspritzende Kraftstoffmenge an das Einspritzsystem weitergibt.
Der Einspritzvorgang hat nach Ende der Kompressionsphase zu erfolgen
und liegt kurz vor dem Beginn der Verbrennungsphase innerhalb eines
Zylinder-Viertakt-Zyklus.
Zu diesem Zeitpunkt erfolgt eine Haupteinspritzung von Kraftstoff
in den Verbrennungsraum, wird jedoch eine Mehrfacheinspritzung eingesetzt,
der ein Vor- und ein Haupteinspritzzeitpunkt eigen sind, sind auch
ungeradzahlige Segmente zur Ermittlung der Voreinspritzmengen von
Bedeutung. Daher können
zur Ermittlung korrekter Einspritzmengenstellwerte nicht lediglich
die geradzahligen Segmente berücksichtigt werden,
sondern es werden auch die ungeradzahligen Segmente berücksichtigt,
um ein stetiges Mengenstellausgabesignal zu erreichen. Eine stetige
Einspritzmengenstellwertangabe bedingt wiederum einen möglichst
glatten Drehzahlverlauf.
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Mittels
einer im Regelkreis enthaltenen Weiche kann die Umschaltung des
Filtermodus gewählt werden.
Anhand der Signalweiche kann die dynamisch gefilterte Drehzahl Ndyn je nachdem, ob ein ungeradzahliges oder
ein geradzahliges Segment abgetastet wird, zwischen aktueller Segmentdrehzahl und
der extrapolierten Drehzahl hin- und hergeschaltet werden. Am Ausgang
der Weiche steht ein stetig vorhandenes Drehzahlsignal an, welches
dem P-Anteil des Reglers zugeführt
wird, der hauptsächlich den
dynamischen Lastwechsel kompensiert. Demgemäß wird in einer Leerlaufreglerstruktur
ausschließlich
der Proportional-Anteil mit der gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren
ermittelten gefilterten dynamischen Drehzahl beaufschlagt.
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Innerhalb
einer solcherart beschaffenen Reglerstruktur erfolgt am Proportionalitätsanteil
eine Umschaltung von Groß-
und Kleinsignalfenstern unsymmetrisch für positive oder negative Regelabweichung.
Damit lässt
sich Kp positiven oder negativen Regelabweichungen
anpassen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
läuft in vorteilhafter
Weise im Steuergerät
der Verbrennungskraftmaschine selbst ab.
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Zeichnungen
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Anhand
der einzelnen Figuren der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend
näher erläutert.
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Es
zeigt:
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1 den
Verlauf der aktuellen Segmentdrehzahl Nakt,
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2 die
segmentweise erfolgende Synthese einer dynamisch gefilterten Drehzahl
Ndyn,
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3 die
Phasengänge
gefilterter Drehzahlen Next, Ndyn und
Nmit, aufgetragen über die Frequenz,
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4 den
sich vor einer Signalweiche einstellende Signalfluß zur segmentabhängigen Ermittlung
der dynamisch gefilterten Drehzahl Ndyn als
Eingangsgrösse
eines PID-Leerlaufreglers,
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5 eine
erfindungsgemässe
Leerlaufreglerstruktur und
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6 eine
unsymmetrische Umschaltung der Groß- und Kleinsignalparameter
bei der Proportionalitätsverstärkung Kp.
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In 1 ist
der aktuelle Verlauf der Segmentdrehzahl Nakt dargestellt.
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Der
Verlauf der Segmentdrehzahl 1 lässt sich in ungeradzahlige
Segmente 3 sowie jeweils zwischen diesen liegende geradzahlige
Segmente 4 einteilen. Bei geradzahligen Segmenten 4 findet
beispielsweise bei Dieseldirekteinspritzanlagen (EDC) die Haupteinspritzung
statt. Es wäre
denkbar, einen Leerlaufregler 23 auch lediglich mit einem
ausschließlich
aus der Abtastung geradzahliger Segmente 4 resultierenden
Signal zu regeln. Zwar würden
sich schwankende Einspritzmengenstellwerte ergeben, die jedoch keine
negativen Auswirkungen nach sich zögen, da nur jeder zweite Wert
interessiert.
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Bei
Mehrfacheinspritzungen –,
beispielsweise unterteilt in Haupteinspritzung und Voreinspritzung – lassen
sich die Einspritzmengenstellwerte für die Haupteinspritzung aus
den geradzahligen Segmenten 4 bestimmen, während zur
Bestimmung der Voreinspritzmengen die ungeradzahligen Segmente 3 auszuwerten
sind.
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2 zeigt
die segmentweise erfolgende Synthese einer dynamisch gefilterten
Drehzahl Ndyn.
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Über der
Zeitachse T sind sowohl die aktuelle Segmentdrehzahl 1 Nakt als auch die dynamisch gefilterte Drehzahl
Ndyn 5 aufgetragen. Zwischen den Anteilen 5.1 einer
dynamisch gefilterten Drehzahl 5 NDYN liegen
die Anteile 5.2, die aus den ungeradzahligen Segmenten 3 resultieren
und die anhand einer Extrapolation von Drehzahlwerten 5.1 geradzahliger Segmente 4 ermittelt
worden sind.
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Für geradzahlige
Segmente 4 gilt: Ndynk, gerade
= Nakt,k entspricht 5.1 während für ungeradzahlige
Segmente 3 gemäß 1 gilt: Ndynk, ungerade = Next,k = Nakt,k-1 + ½(Nakt,k – Nakt,k-2)
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Dies
bedeutet, daß die
dynamisch gefilterte Drehzahl 5 Ndyn in
geradzahligen Segmenten 4 gleich der aktuellen Segmentdrehzahl 1 ist,
währen
Ndyn bei ungeradzahligen Segmenten 3 aus
vorhergehenden Drehzahlwerten 5.1 geradzahliger Segmente 4 extrapoliert
wird. Die zwischen zwei vorhergehenden geradzahligen Segmenten 4 sich
einstellende Differenz 7.1 wird zur Bestimmung des Drehzahlbereiches
eines Drehzahlwertes eines geradzahligen Segmentes 3 jeweils
halbiert, vgl. 7.2.
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3 zeigt
den Phasengang gefilterter Drehzahlen, aufgetragen über der
Frequenz.
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Die
Segmentdrehzal 1, Nakt, hat über die
Frequenz jeweils konstant Phase 0. Die Phase der durch gleitende
Mittelwertbildung erzeugten mittleren Motordrehzahl Nmit 2,
steigt proportional mit der Frequenz an. Die ebenfalls über der
Frequenz aufgetragene extrapolierte Drehzahl Next 6,
weist demgegenüber
im unteren Frequenzbereich gemäß 3 einen
deutlich geringeren Phasenversatz auf, verglichen mit der gemittelten
Motordrehzahl Nmit 2.
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4 zeigt
den Signalfluß und
dessen Manipulationen vor der Passage einer Signalweiche 13. Die
Signalweiche 13 ist mit zwei Signaleingängen versehen, von denen einer
den Signalen geradzahliger Segmente 4 entspricht und am
anderen den ungeradzahligen Segmenten 3 entsprechende extrapolierte
Drehzahlwerte Ndyn 6, anliegen.
Das Ausgangsignal, die dynamisch gefilterte Drehzahl Ndyn 5,
wird dem Leerlaufregler 23 gemäß 5 beaufschlagt. Danach
stellt die aktuelle Segmentdrehzahl Nakt 1, bei
geradzahligen Segmenten 4 unmittelbar die dynamisch gefilterte
Drehzahl 5 dar, während
die in der 4 abgebildete Signalverarbeitungsstrecke
zur Ermittlung von Next 6, für ungeradzahlige
Segmente 3 die Gleichung Ndyn,k,
ungerade = Next,k = Nakt,k-1 + ½(Nakt,k – Nakt,k-2)nachbildet.
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Die
an den beiden Totzeitgliedern 8 und 9 in der Regelstrecke
jeweils einstellbaren Zeitkonstanten Ttot werden
in vorteilhafter Weise auf die Segmentzeiten TSeg gesetzt.
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Der
gemäß 4 ermittelte,
entweder aus Nakt 1 oder aus Next 6 resultierende Wert der dynamisch
gefilterten Drehzahl Ndyn 5 wird
einem Summationspunkt 18 zugeführt. Dieser führt die
Grössen Ndyn 6 und die Solldrehzahl 14 zusammen,
bevor der an der Summationsstelle 18 sich einstellende
Wert einem Proportionalanteil 15 des Leerlaufreglers 23 aufgegeben
wird. Die Größe Nsoll 14 wird an einem Verzweigungspunkt 20 abgegriffen
und an einem weiteren Summationspunkt 19 der negierten
Grösse Nmit 2 überlagert; die am Summationspunkt 19 sich einstellende
Grösse
wird dem Integrationsanteil 16 des Leerlaufreglers 23 aufgegeben,
die Grösse
Nmit 2 bildet ferner das Eingangssignal für den D-Anteil 17 des
Leerlaufreglers 23. Mittels einer solcherart beschaffenen
Regelstruktur 23 kann durch Zuführung der mittleren Motordrehzahl
Nmit 2 zum Integrationsanteil 16 der
Regler 23 auf die mittlere Motordrehzahl Nmit 2 einregeln.
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In 6 schließlich ist
eine unsymmetrische Umschaltung der Groß- und Kleinsignalparameter am
Proportionalanteil des Leerlaufreglers dargestellt. Um eine optimale
Regerauslegung zu unterstützen, kann
mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Reglerstruktur
noch folgende Maßnahme
ergriffen werden: Die Umschaltung der Groß- und Kleinsignalfenster des
Proportionalanteils 16 kann unsymmetrisch für positive
oder negative Regelabweichungen erfolgen. Damit wird dem Umstand
Rechnung getragen, daß die
Grösse 6 die
dynamisch gefilterte Drehzahl Ndyn einen
Offset gegenüber
der mittleren Motordrehzahl Nmit aufweist.
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- 1
- Aktuelle
Segmentdrehzahl Nakt
- 2
- gemittelte
Motordrehzahl Nmit
- 3
- ungeradzahliges
Segment
- 4
- geradzahliges
Segment
- 5
- dynamisch
gefilterte Drehzahl Ndyn
- 5.1
- Ndyn-Anteil geradzahliges Segment
- 5.2
- Ndyn-Anteil aus ungeradzahligem Segment
- 6
- extrapolierte
Drehzahl Next
- 7.1
- Drehzahldifferenz
(geradzahlige Segmente)
- 7.2
- halbe
Drehzahldifferenz (geradzahlige Segmente)
- 8
- Totzeitglied
- 9
- Totzeitglied
- 10
- Teiler
- 11
- Teiler
- 12
- Summationspunkt
- 13
- Signalweiche
- 14
- Solldrehzahl
Nsoll
- 15
- P-Regelanteil
- 16
- I-Regelanteil
- 17
- D-Regelanteil
- 18
- Summationspunkt
P-Anteil
- 19
- Summationspunkt
I-Anteil
- 20
- Verzweigung
- 21
- Anteilssummationspunkt
- 22
- Stellwert
- 23
- Leerlaufregler
- 24
- negatives
Großsignalfenster
- 25
- Fenster
Kleinsignal
- 26
- Proportionalitätsverstärkung Kp
- 27
- positives
Großsignalfenster