DE3509118C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung des Durchsatzes eines ein Rohr durchströmenden Mediums - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Messung des Durchsatzes eines ein Rohr durchströmenden MediumsInfo
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Description
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Messung
des Durchsatzes eines ein Rohr durchströmenden Mediums
nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Aus der DE
33 04 710 A1 ist bereits ein derartiges
Verfahren zur Messung des Luftdurchsatzes im Ansaug
rohr einer Brennkraftmaschine mit einem richtungsun
empfindlichen Strömungsmeßorgan bekannt. Um auch bei
einem Wechsel der Strömungsrichtung, wie er bei Pulsa
tionen im Saugrohr auftreten kann, weiterhin exakte
Meßwerte der von der Brennkraftmaschine angesaugten Luft
menge zu erhalten, sind in dieser Offenlegungsschrift
verschiedene Verfahren zum Feststellen der Zeit
punkte des Strömungsrichtungswechsels angegeben. Der
Erfassung dieser Umkehrpunkte liegen bestimmte physi
kalische Zusammenhänge zwischen Strömungsmeßsignal,
Differenzdrücken, dem Auftreten von Extremwerten im
Strömungsmeßsignal sowie dem Gradienten des Strömungs
meßsignals zugrunde.
Es hat sich aber gezeigt, daß diese Verfahren nicht für
jeden beliebigen Typ von Brennkraftmaschinen optimale
Ergebnisse und durch dem Meßwert
geber-Ausgangssignal überlagerte Störungen sogar falsche Er
gebnisse liefern.
Sie sind nur auf eine
ganz spezielle Charakteristik des Ausgangssignals des
Luftmassenmessers anwendbar und die dem Ausgangs
signal des Luftmassenmessers überlagerten Störspannungen,
wie sie im praktischen Betrieb auftreten, werden von
den bekannten Verfahren nicht als solche erkannt und
häufig fälschlicherweise als Pulsationen interpretiert.
Ein weiteres Verfahren zur Messung des Durchflusses eines pulsierenden
Mediums mit Rückströmung ist aus der DE 32 30 829 A1 bekannt. Bei
diesem Verfahren wird jeweils bei einem Nulldurchgang des Meßwerts ein
Integrator gestartet, der das Signal bis zum nächsten Nulldurchgang
aufintegriert. Der so erhaltene Integralwert wird vom Gesamtsignal
abgezogen. Dadurch wird sichergestellt, daß die während der
Rückströmung ermittelte Luftmasse von der tatsächlich angesaugten
Luftmasse abgezogen wird.
Aus der DE 32 18 931 A1 ist ein Verfahren zur Messung der von einer
Brennkraftmaschine angesaugten pulsierenden Luftmasse bekannt, bei dem
ein drehzahlabhängiger Referenzwert festgelegt wird, bei dessen
Überschreiten eine Rückströmung erkannt wird. Nach dem Überschreiten
des Referenzwertes wird die Zeit gemessen, bis das Luftmassensignal den
Referenzwert wieder unterschreitet. Der insgesamt ermittelte Wert wird
in Abhängigkeit von der gemessenen Zeitdauer korrigiert, so daß die
tatsächlich angesaugte Luftmasse ermittelt wird.
Die Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Durchführung des Verfahrens zu schaffen, mit dem eine Erkennung der
Umkehrpunkte der Strömungsrichtung zuverlässig möglich ist, ohne daß
eine Beeinträchtigung durch möglicherweise auftretende Störungen
erfolgt.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit dem Merkmalen des
Anspruchs 1 und durch eine Vorrichtung mit dem Merkmalen des Anspruchs
20.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße
Vorrichtung haben gegenüber dem Stand der Technik den
Vorteil, daß durch eine verbesserte Erfassung der Um
kehrpunkte der Strömungsrichtung eine erhöhte Genauig
keit des Meßsystems gewährleistet ist. Darüber hinaus
hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, daß das
Meßsystem in hohem Maße unempfindlich auf Störimpulse
reagiert, die dem Ausgangssignal des Durchsatzmeßwert
gebers überlagert sind.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, nur einen bestimmten
Amplitudenbereich der Ausgangssignale des Durchsatzmeß
wertgebers auf derartige Umkehrpunkte zu untersuchen
und diesen Bereich beispielsweise zeitabhängig oder
drehzahlabhängig zu variieren, wodurch die Genauigkeit
des Meßsystems weiter erhöht wird.
Diese gesteigerte Genauigkeit der Erfassung von Strö
mungsumkehrpunkten erlaubt darüber hinaus eine Weiter
verarbeitung des Summensignals der diskreten Zahlenwerte
mit einer erhöhten Auflösung.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen
und der nachfolgenden Beschreibung des Ausführungsbei
spiels in Verbindung mit der Zeichnung.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeich
nung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
Es zeigen
Fig. 1 Ausgangssignale des Durchsatzmeßwert
gebers, Fig. 2 das dem Verfahren zugrundeliegende
Prinzip der Erkennung einer Strömungsrichtungsänderung,
Fig. 3 und 4 eine anschauliche Darstellung der Vor
gehensweise zur Korrektur der Meßwerte, Fig. 5 ein
detailliertes Flußdiagramm zur Auswertung der Meßwerte,
Fig. 6 verschiedene Zeitdiagramme des Verlaufs der
Parameter des Flußdiagramms 5 für beispielhafte Signal
formen des Durchsatzmeßwertgebers, Fig. 7 ein Aus
führungsbeispiel der Vorrichtung nach dem
Patentanspruch 20 und Fig. 8 ein weiteres, gegenüber der Fig. 5 modi
fiziertes Flußdiagramm zur Durchführung des erfindungs
gemäßen Verfahrens.
Das Ausführungsbeispiel bezieht sich auf ein Verfah
ren und eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Kraft
stoffzumeßsignals für eine Brennkraftmaschine. Als
Lastfühler ist ein Konstant-Temperaturanemometer im
Ansaugkanal der Brennkraftmaschine vorgesehen. Der
artige Einrichtungen sind schon seit langem Stand der
Technik und beispielsweise in der US-PS 42 75 605 be
schrieben, die, wie auch die DE 33 04 710 A1, als Referenz
herangezogen werden kann. Im weiteren wird daher nur auf
die für die Erfindung spezifischen Merkmale des Verfahrens
und der Vorrichtung näher eingegangen.
Kraftstoffzumeßsysteme benötigen zur korrekten Zumessung
eine möglichst genaue Information über die jeweils vom
Motor angesaugte Luftmasse. Eine besonders bevorzugte
Methode der Luftmassenbestimmung besteht in der Verwen
dung eines Hitzdraht- oder Heißfilm-Anemometers im Kon
stanttemperaturbetrieb. Durch die hohe Ansprechgeschwin
digkeit in der Größenordnung von einer Millisekunde folgt
das Ausgangssignal des Luftmassenmessers jeder Pulsation
im Luftstrom. Auch rückströmende Luftmassen, wie sie vor
allem im Vollastbereich der Brennkraftmaschine als Pul
sationen im Ansaugrohr auftreten, werden - allerdings
mit falschem Vorzeichen - erfaßt. Ohne Korrektormaßnah
men ergibt sich daher aufgrund der Pulsationen ein zu
hoher Meßwert für die angesaugte Luftmasse und damit auch
ein Fehler in der Kraftstoffzumessung.
In Fig. 1 sind verschiedene charakteristische Verläufe
des Ausgangssignals eines Luftmassenmessers bei vorlie
gen von Rückpulsationen dargestellt. Gemäß Fig. 1a
weist der Signalverlauf zusätzlich zur Pulsationsgrund
welle Oberwellen auf, wobei die Oberwellen gerader Ord
nung stark ausgeprägt sind. Das Signal zeigt daher ein
mehr oder weniger stark ausgebildetes zusätzliches re
latives Maximum (Pfeil).
Es sind jedoch auch Signalverläufe bekannt, bei denen
die Phasenverschiebung zwischen Grund- und Oberwelle der
artige Werte annimmt, daß kein zusätzliches relatives
Maximum auftritt. Diese Signalverläufe sind in Fig. 1b und
1c dargestellt. Dort machen sich die Rückpulsationen nur
noch durch eine Änderung der Steigung der abfallenden oder
ansteigenden Flanke des Signals (Pfeile) bemerkbar.
Das Problem besteht nun darin, in jedem der Fälle der Fig.
1 das Auftreten von Rückpulsationen sicher zu erkennen. Zur
Erfassung von Rückpulsationen aufgrund der spezifischen
Signalform wird eine geeignete Schwelle 1 (Fig. 2)
für die Steigung, d. h. die zeitliche Ableitung des
Ausgangssignals UH des Luftmassenmessers vorgegeben. Die
für Rückpulsationen, bzw. im allgemeinen für Umkehrungen
der Strömungsrichtung charakteristischen Punkte des Aus
gangssignals werden über eine Periode des Luftmassen
signals UH entweder durch zwei Minima oder ein Minimum
sowie eine Verringerung der Steigung der Signalflanken
definiert.
Im Spezialfall der Fig. 2a ist der Schwellwert für
die Steigung durch die dünn eingezeichneten Tangenten
dargestellt, wobei im unteren Teil der Figur das
Über- und Unterschrittensein dieses Schwellwertes durch
die zeitliche Änderung dUH/dt der Ausgangsspannung als Stufenfunktion auf
getragen ist. Die für mögliche Rückpulsationen charak
teristischen Punkte sind durch den Signalwechsels des
in Fig. 2a unten aufgetragenen Signals von logisch 0
auf logisch 1 charakterisiert. Um eventuell vorhandene,
dem Luftmassensignal UH überlagerte Störspannungen aus
zufiltern, wird weiterhin die Bedingung gestellt, daß
ein charakteristischer Punkt nur dann vorliegt, wenn
die Differenz zwischen der Istwertsteigung und der
Schwelle 1 über eine vorgebbare Zeitdauer sowohl vor als
auch nach dem Unterschreiten der Schwelle 1 konstantes
Vorzeichen aufweist. Darüber hinaus hat es sich als
vorteilhaft erwiesen, eine Hysterese bei der Steigungs
abfrage einzuführen. Da das Rückpulsationssignal sich
auch abhängig von der Motordrehzahl ändern kann, hat
es sich in verschiedenen Anwendungsfällen als notwen
dig erwiesen, die Schwelle 1 drehzahl- oder lastab
hängig zu verändern. Insbesondere bei Rückpulsations
signalen der Fig. 1b und 1c hat es sich, wie Untersuchungen
zeigten, als vorteilhaft herausgestellt, während einer
Periode zur Ermittlung des ersten und zweiten charak
teristischen Punktes unterschiedliche Schwellwerte für
die Schwelle 1 zu wählen, wie es in Fig. 2b schematisch
dargestellt ist. Auch diese verschiedenen Schwellwerte der
Schwelle 1 können darüber hinaus noch drehzahlabhängig
verändert werden.
Nach der Erfassung der charakteristischen Punkte des Aus
gangssignals des Luftmassenmessers wird nur dann auf
Rückpulsation erkannt, wenn während einer Periodendauer
mehr als ein charakteristischer Punkt erfaßt wurde. Im
allgemeinen treten beim Vorliegen von Rückpulsationen
zwei charakteristische Punkte während einer Signalperiode
auf, wobei die zu den charakteristischen Punkten ge
hörigen Signalamplituden in der Regel unterhalb
des Signalgleichanteils des Ausgangssignals des Luft
massenmessers liegen.
Die mit dem Rückpulsationsfehler behafteten Luftmassen
messungen lassen sich gemäß Fig. 3 dadurch korrigieren,
daß während der Zeitabschnitte, die während einer Perioden
dauer durch die charakteristischen Punkte begrenzt werden,
die gemessenen Luftmassenwerte mit einem Faktor F-F
negativ bewertet werden. Der Faktor F nimmt Werte größer
1 an, da die Empfindlichkeit des Durchsatzmeßwertgebers
für Vor- und Rückströmung unterschiedlich hoch ist. In
der Praxis haben sich für F Werte im Bereich 1,10 ≲ |F| ≲
1,30 als geeignet erwiesen.
Die Rückpulsationskorrektur läuft im Prinzip folgender
maßen ab: Sobald mindestens zwei charakteristische Punkte
während einer Signalperiode erkannt wurden, liegt
Rückpulsation vor. Eine Korrektur erfolgt
während der ersten Rückpulsationsperiode noch nicht.
(Es sind keine Speicher zur Zwischenspeicherung vorge
sehen). Wie in Fig. 4a dargestellt, wird erst während
der folgenden Perioden eine Korrektur der gemessenen
Luftmassenwerte während der Zeitabschnitte, die durch
die charakteristischen Punkte begrenzt werden vorge
nommen. Endet die Rückpulsation, so wird systembedingt
während der Zeitdauer zwischen der Erfassung des ersten
charakteristischen Punktes (der immer erfaßt wird) und
dem Zeitpunkt, zu dem erkannt wird, daß kein zweiter
charakteristischer Punkt vorhanden ist, fälschlicherweise
korrigiert. Um diesen systembedingten Fehler nach Ende der
Rückpulsation zu minimieren, ist eine Schwelle 2 mit einem
Schwellwert vorgesehen, der Werte in der Größenordnung
des Mittelwerts der Ausgangssignalspannung des Luft
massenmessers annimmt. Diese zweite Schwelle 2 begrenzt
den Signalbereich der Ausgangssignale, der auf charak
teristische Punkte überprüft werden soll. Nur für Werte
des Ausgangssignals unterhalb dieser zweiten Schwelle 2
wird eine Erfassung von charakteristischen Punkten vorgenommen.
Durch die Einführung dieser zweiten Schwelle 2 wird
der systembedingte Fehler der fälschlichen Korrektur
von den Ausgangssignalwerten zeitlich auf circa ¼
der Periodendauer des Ausgangssignals eingeschränkt.
Eine weitere, in Fig. 4b dargestellte Möglichkeit be
steht in einer Begrenzung der Signalabschnitte auf Über
prüfung nach charakteristischen Punkten mittels einer
zweiten Schwelle 2, die ausgehend vom Spitzenwert des
Ausgangssignals des Durchflußmessers über eine Periode
zeitlich abgeregelt wird. Es hat sich als zweckmäßig
erwiesen, diese zweite Schwelle 2 drehzahl- oder auch last
abhängig abzuregeln. Hierdurch ist eine weitere Ver
ringerung des systembedingten Fehlers nach Ende der Rück
pulsationen möglich.
Eine dritte Ausführungsform basiert auf der Einführung
einer drehzahlabhängigen, zeitlichen Begrenzung der Über
prüfung der Signalform auf charakteristische Punkte.
Ausgehend vom Spitzenwert des Signals wird ein Zeit
fenster gesetzt, dessen Breite wiederum drehzahl- oder
aber lastabhängig einstellbar ist, wobei nur innerhalb
dieses Zeitfensters während jeder Signalperiode eine
Erfassung von charakteristischen Punkten möglich ist. Auch
durch diese Maßnahme ist eine Verringerung des system
bedingten Fehlers möglich.
Die vorhergehenden Erläuterungen wie auch die nachfol
gende detaillierte Darstellung eines Ausführungsbeispiels
sind nicht auf Ausgangssignale des Durchflußmengen
messers gemäß Fig. 1a beschränkt, sondern lassen sich
auch ohne weiteres auf die Signalform der Fig. 1b und
1c übertragen. Maßgebend hierfür ist alleine die
spezielle Wahl der Schwellwerte der ersten Schwelle 1,
wie es in Fig. 2a und 2b veranschaulicht ist. Die Erläute
rungen wurden alleine aus Gründen einer einfacheren Dar
stellungsweise auf die Signalform der Fig. 1a beschränkt.
In Fig. 5 ist ein Flußdia
gramm zur Durchführung einer Durchsatzmessung
dargestellt. Die Ausgangssignale des Durchflußmengen
messers werden mittels eines Analog/Digital-Wandlers
mit einer einstellbaren Abtastrate in digitalen Zah
lenwerte gewandelt, so daß je nach Abtastrate in einem
Abstand von ca. 1 Millisekunde ein aktueller, digitali
sierter Wert UH (K) mit tK-tK-1 ≅ 1 Millisekunde
vorliegt.
Zusammenfassend seien zunächst die wesentlichen Schritte
des Verfahrens aufgelistet. Ein charakteristischer Punkt
wird dann erkannt, wenn
- a) die Steigung von UH während mindestens zwei aufein anderfolgender Abtastzeitpunkte innerhalb einer Periodendauer von UH geringer als die vorgebbare Schwelle 1 ist, und
- b) anschließend die Steigung von UH während mindestens zwei aufeinanderfolgender Abtastzeitpunkte oberhalb der vorgebbaren Schwelle 1 liegt (durch diese Maß nahmen werden eventuell vorhandene, dem Ausgangs signal des Durchflußmengenmessers überlagerte Stör spitzen ausgeblendet).
Falls mehr als zwei charakteristische Punkte wäh
rend einer Periode erkannt werden, bestimmen die
ersten beiden charakteristischen Punkte den An
fangs- und Endpunkt des Zeitintervalls, während
dem die Meßwerte mit dem Faktor -F bewertet wer
den.
Die Schwelle 2, über die der Signalabschnitt be
stimmt wird, welcher auf charakteristische Punkte
zu überprüfen ist, wird durch den Signalmittelwert
des Ausgangssignals des Durchflußmengenmessers plus
einen einstellbaren Offset gebildet.
Die im Diagramm der Fig. 5 verwendeten Variablen haben
folgende Bedeutung:
Steig: Flag 1, wenn die Steigung von UH den Schwellwert 1
überschreitet,
0 sonst.
Salt: Salt ist identisch mit dem um eine Abtastperiode
verschobenen Signal Steig.
Wende: Flag 1 während der ersten beiden charakteristischen
Punkte einer Periode, falls solche vorhanden,
0 sonst.
Erk: Dieses Steuerflag bewirkt, daß Störspitzen aus
geblendet werden.
Ende: Flag 1, wenn während einer Periode zwei charakteri
stische Punkte erkannt wurden,
0 sonst (durch diese Variable wird verhindert,
daß weitere, eventuell vorhandenen charakteris
tische Punkte während dieser Periode berück
sichtigt werden).
Rück: Flag 1 wenn Rückpulsation erkannte
0 sonst.
K: Laufindex.
Nach der Initialisierung des Programmteils werden den
im Programm verwendeten Variablen die gemäß Block 50 der
Fig. 5 definierte Werte zugewiesen. In Block 51 wird
die Variable SALT definiert, und im Block 52 der Ver
gleich der Steigung des Ausgangssignals UH mit dem
Schwellwert 1 durchgeführt. Entsprechend den Resultaten
dieses Vergleichs wird die Variable Steig auf 0 bzw. 1
gesetzt. Über die Abfrage in Block 53 werden die Signal
abschnitte ausgewählt, welche auf charakteristische
Punkte zu überprüfen sind. Handelt es sich um Werte von
UH (k) oberhalb des Schwellwerts 2, so wird im Block 63
geprüft, ob die Variable WENDE den Wert 1 besitzt, was
der negativen Halbperiode nur beim erstmaligen Überschrei
ten des Schwellwertes 2 der Fall sein kann. Wenn WENDE =
1 erfüllt ist, wurde während der vorangehenden Halb
periode nicht der charakteristische Verlauf einer Rück
pulsation erkannt, sondern nur ein charakteristischer
Punkt. Im Block 64 wird-die Rückpulsationsvariable RUECK
deshalb auf den Wert 0 gesetzt (falls zuvor Rückpulsation
erkannt wurde erfolgt hiermit ein Abbruch) und der Vari
ablen WENDE wird als Startwert für die folgende negative
Halbperiode der Wert Null zugewiesen. Wird im Block 63
erkannt, daß WENDE den Wert Null besitzt, so erfolgt für
die Rückpulsationsvariable RUECK keine Änderung.
Im Block 65 wird als Startwert der Variablen ENDE für die
folgende Halbperiode der Wert Null zugewiesen. Die nach
folgende Luftmassenbewertung erfolgt im Block 66 mit dem
Faktor Eins (kein Zeitintervall mit Rückpulsation).
Liegt UH(k) im Block 53 jedoch unterhalb des Schwellwertes
2 und wurden während des Signalverlaufes unterhalb des
Schwellwertes 2 nicht bereits 2 charakteristische Punkte
erkannt (Block 54, ENDE = 0), so wird in den Blöcken 55,
56 und 57 geprüft, ob während Schritt (k) und Schritt (k-1)
steigender Signalverlauf vorliegt bzw. vorlag (STEIG
= 1 und SALT = 1) und während Schritt (k-2) und Schritt
(k-3) der Signalverlauf fallend war (im Zweig 57 wurde ERK
auf Null gesetzt, falls während und vor dem (k-2)-ten
Schritt fallender Signalverlauf erkannt wurde).
Sind diese Bedingungen erfüllt, so liegt ein charakteris
tischer Punkt vor. Nachfolgend muß geprüft werden, ob es
sich um den ersten oder bereits den zweiten charakteris
tischen Punkt unterhalb des Schwellwertes 2 handelt. Dies
erfolgt im folgenden, nachdem im Block 67 der Variablen
ERK der Startwert Eins zugewiesen wurde (Verriegelung des
Pfades zwischen Block 58 und 67 bei weiter steigendem Sig
nal). Besitzt bei der Abfrage in Block 68 die Variable WENDE
den Wert Null, so liegt der erste charakteristische Punkt
unterhalb der Schwelle 2 vor und es erfolgt im Block 69 die
Zuweisung WENDE = 1. Wird bei der Abfrage in Block 68 WENDE
= 1 erkannt, so liegt der zweite charakteristische Punkt
vor und somit ist ein charakteristischer Rückpulsationsver
lauf erkannt worden. Im Block 70 wird deshalb RUECK = 1 ge
setzt (Rückpulsation erkannt), WENDE wird gleich Null ge
setzt (2. charakteristische Punkt erkannt). Zur Verriegelung
wird - falls weitere charakteristische Punkte unterhalb der
Schwelle 2 vorliegen sollten (Rückpulsationen nur zwischen
den ersten beiden charakteristischen Punkten) - im Hin
blick auf die Abfrage im Schritt (k + 1) im Block 54 ENDE
= 1 gesetzt.
Falls die Bedingungen für die Pfade zu Block 59 erfüllt sind
und im (k-1)-ten Schritt Rückpulsation erkannt wurde
(RUECK = 1), so wird nach der Abfrage in den Blöcken 59
und 60 (bei WENDE = 1) UH(k) mit dem Faktor - F bewertet.
Daran anschließend erfolgt in Block 62 eine Erhöhung des
Laufindex um 1 und es erfolgt beginnend bei Block 51 die
zyklische Wiederholung des Programmablaufs.
Zum besseren Verständnis des Funktionsablaufes ist in
Fig. 6 anhand einiger beispielhafter Signalverläufe das
Zeitverhalten der im Programmteil der Fig. 5 angesprochenen
Variablen detailliert dargestellt. Die Diagramme sprechen
für sich, so daß nur einige wesentliche
Punkte herausgehoben werden sollen. Im Spezialfall Fig. 6
wurde der Schwellwert der Schwelle 2 exakt als Mittel
wert des Ausgangssignals UH definiert. Die Abtastzeit
dauer Δt zwischen zwei Abtastungen des Signals UH er
gibt sich aus dem Zeitintervall Δt, um das der Kurven
verlauf Steig zu verschieben ist, damit die Kurvenver
läufe von Steig und Salt zur Deckung kommen. Die Diagramme
der Fig. 6b, c sind derart zu verstehen, daß zur Zeit t = 0
die Variablen die Werte annehmen, die zum Zeitpunkt t = 0
im Diagramm 6a vorliegen. Eine Rückpulsationskorrektur ist,
wie durch die schraffierten Zeitintervalle angedeutet,
immer dann vorgesehen, wenn die Variablen Wende und Rück
gleichzeitig den Wert logisch 1 annehmen. Es ist zu er
kennen, daß nach dem Auftreten einer Rückpulsation wäh
rend einer Periode des Signals UH in der nächsten Periode
Rückpulsationskorrekturen vorgesehen werden. Anderer
seits werden, wie aus dem Diagramm der Fig. 6c hervor
geht, Störspitzen erfolgreich ausgeblendet, so daß diese
nicht eine Rückpulsationskorrektur auslösen. Liegen mehr
als zwei charakteristische Punkte pro Periode des Signals
vor (Fig. 6b), so werden die Korrekturen nur während
des Zeitintervalls zwischen den ersten beiden charakteris
tischen Punkten durchgeführt.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Verfahrens soll anhand des Flußdiagramms der Fig. 8 im
folgenden erläutert werden: Die in der Zeichnung und dem
Text verwendeten Abkürzungen sind in Fig. 8a, die im
wesentlichen die Grundstruktur des Programmes zeigt, näher
erklärt. Die Grundstruktur des Programmes gemäß Fig. 8a
ist durch die Beschriftung und die bereits erfolgten Er
läuterungen im vorhergehenden Beschreibungsteil verständ
lich. Der in Fig.
8b dargestellte, detaillierte Aufbau des Flußdiagramms
gliedert sich in folgende Unterfunktion auf:
Die abgetasteten Spannungswerte der Signalspannung des
Anemometers werden zunächst einer Spitzenwertbildungsfunktion
unterworfen, wobei im vorliegenden Spezialfall eine Ab
regelung des Spitzenwertes zwischen den einzelnen Perioden
des Meßsignals gemäß Fig. 4b, das heißt insbesondere also
eine drehzahlabhängige Abreglung erfolgt. Die Abregelzeit
konstante ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel in einer
16-byte Tabelle abgelegt. Danach werden die Abtastwerte
für die Meßspannung (MLHD) eine Linearisierungsfunktion
f (MLHD) unterworfen, wobei diese Linearisierungsfunktion
in an sich bekannter Weise über eine Nachschlagtabelle
realisiert werden kann. Im Anschluß an diese Linearisierung
werden Steigungsbits STALT und STNEU gebildet. Durch Um
schalten der Grenzsteigung STOFF abhängig von der Vorge
schichte (STALT), wird die Entstörung für sehr kleine
Steigungen (< STOFF) nahe der Horizontalen aufgehoben.
Das erhöht die Treffsicherheit der Rückstromerkennung
bei "kleinen schnellen Buckeln".
Der Algorithmus zur Rückströmerkennung wird erst dann durch
laufen, wenn die Amplitude der MLHD-Schwingung einen
Mindestwert DLTMLH überschreitet. Bewegt sich das Sig
nal MLHD in der Nähe des Spitzenwertes MLHX, so werden
im allgemeinen alle relevanten Steuerflags zu 0 gesetzt
(RUECK, WENDE, ENDE, STEIG). Nur bei zwei erkannten Minima
(Rückströmung!) bleibt das Bit RUECK erhalten. Bewegt sich
das Signal MLHD länger als eine vorgegebene Zeitdauer,
im vorliegenden Spezialfall 15 Millisekunden, in dieser
Zone, so kann Rückströmung nicht vorhanden sein (RUECK:
= 0). Bei größeren Amplituden von MLHD wird der Rückström
algorithmus durchlaufen. Zunächst wird eine entstörte
Steigungsrichtung gebildet (STEIG). Bei Durchschreiten
eines Signalminimums (STEIG 0→1) wird mit dem Bit WENDE
das Rückströmfenster gebildet. Das Flag ENDE erlaubt
eine Rückströmerkennung auch bei einem auftretenden von
mehr als zwei Minima. Abschließend erfolgt mittels der
Integrationsfunktion eine vorzeichenbehaftete Integration
des Anemometers-Meßsignals.
Insgesamt erweist sich das Verfahren
gemäß den Ausführungsbeispielen der Fig. 5 und 8 als
sehr gut geeignet, die Nachteile bekannter Verfahren zu
vermeiden und damit eine hohe Genauigkeit in der Meßwert
verarbeitung zu gewährleisten, wobei sich andererseits
der Programmaufwand und die Rechenzeit zur Durchführung
des Verfahrens in Grenzen hält.
In Fig. 7 ist ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung
zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens darge
stellt. Die Ausgangssignale des Durchflußmengenmessers
sind symbolisch durch eine Spannungsquelle 20, die die
Signal UH liefert dargestellt. Die Signale der Spannungs-
Quelle 20 werden dem Eingang eines Differenzverstärkers
21 zugeführt, dessen anderer Eingang über einen Spannungs
teiler, bestehend aus den Widerständen 22 und 23 mit einer
Referenzspannung 24 beaufschlagt ist. Die Ausgangssignale
des Differenzverstärkers 21 werden von einem Analog/Digi
tal-Wandler 25 digitalisiert, wobei die Referenzspannung
24 ebenfalls an den Analog/Digital-Wandler 25 angeschlossen
ist. Ein Taktgenerator 26 erzeugt eine Taktfrequenz, die
variabel einstellbar ist und die Abtastrate
des Analog/Digital-Wandlers 25 bestimmt. Die digitalen
Ausgangssignale des Analog/Digital-Wandlers 25 durchlau
fen eine Linearisierungseinheit 27, die beispielsweise
als Kennfeldtabelle (look up table) ausgebildet ist. Der
Linearisierungseinheit 27 folgt eine Bewertungseinheit 28,
die die digitalen Signale entweder ungeändert oder mit
einem Faktor (-F) multiplikativ gewichtet passieren läßt.
Angesteuert wird diese Bewertungseinheit 28 von einer
Rückpulsationserkennungseinheit 29, die ebenfalls mit
den Signalen der Linearisierungseinheit 27 beaufschlagt
ist und nach dem beschriebenen
Verfahren zur Erkennung einer Strömungsrichtungsänderung
arbeitet. In einer Summationsstufe 30 wird eine bestimmte
Mindestanzahl von linearisierten und bewerteten Abtast
werten aufsummiert und in einem Schrittzähler 31 die
Anzahl der Summationsschritte gespeichert. Zur Ablauf
steuerung ist der Schrittzähler 31, die Summationsstufe
30, die Rückpulsationserkennungseinheit 29 sowie die
Linearisierungsfunktion 27 ebenfalls mit den Ausgangs
signalen des Taktfrequenzgenerators 26 verbunden. Der
Ausgang des Schrittzählers 31 ist an einem Komparator
32 sowie einem Speicher 33 angeschlossen. Der Komparator
32 vergleicht den Inhalt des Schrittzählers mit einem
beispielsweise von der Drehzahl oder der Drehzahländerung
abhängigen Schwellwert. Nach Erreichen einer durch den
Schwellwert bestimmten Mindestanzahl von
Summationsschritten wird bei Eintreffen des nächsten
OT-Impulses (der beispielsweise von einem Bezugsmarkengeber
abgeleitet wird) über die Ausgangssignale einer UND-Funk
tion der Summationsvorgang in der Summationsstufe 30 ab
gebrochen. Gleichzeitig steuern die Ausgangssignale der
UND-Funktion 34 ein Umladen des Inhalts des Schrittzäh
lers 31 in den Speicher 33 ebenso wie ein Umladen des
Inhalts der Summationsstufe 30 in einen weiteren Speicher
35. Nach diesem Umladevorgang werden die Inhalte der Summa
tionsstufe 30 und des Schrittzählers 31 auf Null gesetzt,
so daß ein neuer Summationsvorgang beginnen kann.
Es hat sich insbesondere als vorteilhaft erwiesen, während
großer dynamischer Änderungen des Ausgangssignals des
Luftdurchsatzmengenmessers, die im Fall einer Brennkraft
maschine beispielsweise über Drehzahländerungen erkannt
werden können, die durch den Schwellwert des Komparators
32 bestimmte Mindestanzahl der Summationsschritte auf
kleinere Werte (beispielsweise von 32 Werten auf 8 Werte)
herabzusetzen. Auf diese Weise kann die Messung in Über
gangsbereichen schnell sein, ohne daß im stationären Be
trieb die Genauigkeit verringert wird.
Das in dem weiteren Speicher 35 abgespeicherte Summations
ergebnis wird schließlich durch die im Speicher 33 abge
legte Anzahl der Summationsschritte in einer Divisions
stufe 36 dividiert. Als Endergebnis liegt somit ein über
eine durch den Schwellwert des Komparators 32 festgelegte
Zeitdauer integrierter Massenfluß pro Zeiteinheit vor.
Dieses Signal kann dann wie üblich zur Berechnung der
Einspritzzeit tL verwendet werden.
Da aufgrund der Integration des Ausgangssignals des Luft
mengendurchsatzmessers ein Großteil der dem Ausgangssignal
überlagerten statistischen Schwankungen weggemittelt wird,
besteht die Möglichkeit, das integrierte Signal mit einer
höheren Auflösung als der des Analog/Digital-Wandlers
weiterzuverarbeiten. Wird beispielsweise ein 8-Bit-Analog/
Digital-Wandler eingesetzt, so weist dieser eine Auflösung
von ca. 4 Promille auf, während aufgrund des Mittlungs
vorganges eine Weiterverarbeitung des integrierten Sig
nals als 11-Bit-Zahl mit einer Auflösung von ca. 0,5
Promille möglich ist. Programmtechnisch läßt
sich dies einfach dadurch erreichen, daß der Inhalt des
Speichers 35 nur durch einen Bruchteil des in Speicher
33 abgelegten Wertes dividiert und den Ziffern der
resultierenden Zahl ein anderer Stellenwert zugeordnet
wird.
Weiterhin läßt sich durch diese Vorrichtung auch eine
wirksame Antiruckelschaltung durch eine Bedämpfung des
Luftmassensignals realisieren, da die Information über
den Luftdurchsatz pro Zeiteinheit explizit vorliegt und
nicht mit anderen Größen, beispielsweise der Motorlast
vermischt ist.
Claims (20)
1. Verfahren zur Messung eines zeitlich periodisch variierenden
Durchsatzes eines ein Rohr durchströmenden Mediums, insbesondere des
Luftdurchsatzes im Ansaugrohr einer Brennkraftmaschine, mit einem auf
die Strömungsrichtung des Mediums unempfindlichen Durchsatzmeßwertgeber
mit analogen Ausgangssignalen, die mit einer einstellbaren Abtastrate
in eine Folge diskreter Zahlenwerte gewandelt werden, bei dem der
periodische Verlauf des Ausgangssignals des Durchsatzmeßwertgebers zur
Erfassung von Zeitpunkten des Auftretens von Änderungen der
Strömungsrichtung ausgewertet und die Zeitdauer geänderter
Strömungsrichtung über Korrekturfaktoren bei der Ermittlung des
Durchsatzwertes berücksichtig wird, dadurch gekennzeichnet, daß die
Zeitpunkte des Auftretens von Änderungen der Strömungsrichtung nach
folgenden Schritten ermittelt werden:
- a) Bilden von Differenzwerten aufeinanderfolgender Zahlenwerte der Zahlenfolge als Maß für die jeweilige Änderung des Ausgangssignals des Durchsatzmeßwertgebers,
- b) Vergleichen der Differenzwerte mit einem ersten Schwellwert,
- c) Bestimmen von charakteristischen Zeitpunkten, zu denen die Differenzwerte den ersten Schwellwert entweder jeweils überschreiten oder jeweils unterschreiten,
- d) Erkennen auf Änderung der Strömungsrichtung beim Vorliegen von zwei oder mehr als zwei charakteristischen Zeitpunkten pro Periode des Ausgangssignals des Durchsatzmeßwertgebers und Bestimmen der Zeitpunkte des Auftretens von Änderungen der Strömungsrichtung unter den charakteristischen Zeitpunkten.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
ein Über/Unterschreiten des ersten Schwellwertes durch einen
Differenzwert nur dann berücksichtigt wird, wenn wenig
stens zwei vorhergehenden Differenzwerte den ersten
Schwellwert unter/überschritten haben.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Über/Unterschreiten des ersten Schwell
wertes durch einen Differenzwert nur dann berücksichtigt
wird, wenn der darauffolgende Differenzwert ebenfalls
den ersten Schwellwert über/unterschreitet.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der erste Schwellwert von der Abtastrate abhängig
ist oder innerhalb einer Periodenzeitdauer des
Ausgangssignales des Durchsatzmeßwertgebers wenigstens in Abhängigkeit
von der Periodenzeitdauer änderbar ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
der erste Schwellwert innerhalb einer Periodenzeitdauer des
Ausgangssignals zwei unterschiedliche Werte annimmt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Schwellwert vor
gesehen ist, wobei für Ausgangssignale des Durchsatz
meßwertgebers oberhalb dieses zweiten Schwellwertes nicht auf
ein Vorliegen einer Änderung der Strömungsrichtung
erkannt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
der zweite Schwellwert wenigstens in Abhängigkeit vom
Mittelwert des Ausgangssignals des Durchsatzmeßwertgebers
bestimmt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
der zweite Schwellwert durch den Mittelwert des Ausgangs
signals und einen additiven Zusatzwert gebildet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
der zweite Schwellwert in Abhängigkeit vom Spitzenwert
des Ausgangssignals des Durchsatzmeßwertgebers ermittelt
wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß der zweite Schwellwert in Abhängigkeit von der Perio
denzeitdauer des Ausgangssignals abgeregelt wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß nach einer Erkennung auf
Strömungsrichtungsänderung das Zeitintervall zwischen
dem ersten und dem zweiten charakteristischen Zeitpunkt
als Dauer der Strömungsrichtungsänderung definiert wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß die Folge der diskreten Zahlenwerte während dieses
Zeitintervalls mit einem negativem Korrekturfaktor (-F)
bewertet werden.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß der Korrekturfaktor F Werte F < 1, vorzugsweise
Werte 1,10 ≲ |F| ≲ 1,30 annimmt.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastrate in Abhängig
keit von der Periodenzeitdauer oder dem Gradienten des
Ausgangssignals des Durchgangsmeßwertgebers einstellbar
ist.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Folge diskreter Zahlen
werte über eine vorgegebene Zeitdauer aufsummiert wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,
daß die vorgegebene Zeitdauer in Abhängigkeit von der
Periodenzeitdauer oder dem Gradienten des Ausgangssignals
des Durchgangsmeßwertgebers einstellbar ist.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch
gekennzeichnet, daß der Summenwert der aufsummierten Zah
lenwerte mit einer gegenüber der Auflösung der einzelnen
Zahlenwerte erhöhten Auflösung weiter verarbeitet wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet,
daß die Auflösung in Schritten 2n, n = 1, 2, 3, . . . er
höht wird.
19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Konstanttemperatur-Anemometer mit Hitzdraht
oder Heißfilm als Durchsatzmeßwertgeber ist.
20. Vorrichtung zur Messung eines zeitlich periodisch variierenden Durchsatzes eines ein Rohr
durchströmenden Mediums mit einem auf die Strömungsrichtung des Mediums unempfindlichen Durchsatzmeßwertgeber, mit einem
Analog/Digital-Wandler und einem Taktgenerator
zur Wandlung der Ausgangssignale des Durchsatzmeßwertgebers
in eine Folge diskreter Zahlenwerte
sowie mit einer
Auswerteanordnung, die Mittel zur
Linearisierung zur
Erkennung von Änderungen der Strömungsrichtung und zur
Summation umfaßt, mit einem Komparator zum Vergleich von
Zahlenwerten und wenigstens einem Speicher, dadurch gekennzeichnet, daß
die Mittel (29) zur Erkennung von Änderungen der Strömungsrichtung
Differenzwerte aufeinanderfolgender Zahlenwerte der Zahlenfolge
bilden, die Differenzwerte mit einem ersten
Schwellwert vergleichen, charakteristische Zeitpunkte ermitteln,
zu denen die Differenzwerte den ersten Schwellwert
entweder jeweils überschreiten oder jeweils unterschreiten, und
mittels der charakteristischen Zeitpunkte auf Änderung der
Strömungsrichtung erkennen
und daß die Mittel (30) zur Summation die
vom Analog/Digital-Wandler (26) erzeugten diskreten Zahlen nach erkannter
Änderung der Strömungsrichtung mit einem negativen Faktor
bewerten.
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