DE3835002C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung und Auswertung der Drehzahl bei Mehrzylinder-Brennkraft­ maschinen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Verfahren zur Regelung von Brennkraftmaschinen, bei denen bestimmte Betriebsparameter wiederholt gemessen, vergli­ chen und zu Regelzwecken ausgewertet werden, sowie Vor­ richtungen zur Durchführung solcher Verfahren sind schon mehrfach bekannt.

So beschreibt z. B. die DE-OS 32 21 640 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung einer Brennkraftmaschine. Eine Regelgröße einer Brennkraftmaschine wird hierbei kon­ tinuierlich um einen berechneten Wert durch Vergrößern und Verkleinern um einen bestimmten Betrag geändert. Die Brenn­ kraftmaschine wird mit dieser sich ändernden Regelgröße betrieben und es werden die Auswirkungen der Regelgrößen­ änderung auf den Betrieb der Brennkraftmaschine durch wiederholtes Erfassen und Auswerten der Drehzahl beobach­ tet. Aufgrund dieser Auswertung wird die Regelgröße in Richtung eines Optimalwertes hin verändert. Die Erfassung und Auswertung der Drehzahl erfolgt dabei derart, daß in jeder einer vorgegebenen Betriebsperiode in mehreren Zähl­ perioden die Drehzahl der Brennkraftmaschine ermittelt wird, die entsprechenden Drehzahlwerte innerhalb jeder Betriebsperiode miteinander verglichen werden und das Er­ gebnis des Vergleichs zur Festlegung einer Änderungsrich­ tung der Regelgröße für eine darauffolgende Betriebsperi­ ode benutzt wird. Die Dauer einer derartigen Betriebs­ periode, innerhalb derer die Drehzahldifferenz ausgewertet wird sowie die Zählperiode selbst, erstreckt sich dabei über eine Anzahl von Zündvorgängen, so daß bei diesem Ver­ fahren Drehzahländerungstendenzen bzw. Beschleunigungs­ werte nicht mehrmals pro Motorumdrehung ermittelt werden können und somit auch keine zeitkritischen Regelungsauf­ gaben, wie z. B. eine Antiruckelregelung, durchgeführt wer­ den können. Ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens ist, daß keine Aussagen gemacht werden können in bezug auf die durch bestimmte einzelne Zylinder hervorgerufenen Dreh­ ungleichförmigkeiten der Brennkraftmaschine.

Aus der DE-OS 29 18 802 ist ein Verfahren zur Gewinnung eines Beschleunigungs- oder Verzögerungssignals bekannt, bei dem an aufeinanderfolgenden, konstanten Abstand auf­ weisenden, Zeitpunkten die Änderung eines Signals bezüg­ lich des zeitlich direkt davorliegenden Signals gemessen wird. Eine bestimmte Anzahl dieser gemessenen Änderungen wird in einem Speicher mit dieser Anzahl entsprechenden Speicherregistern abgelegt und ein Beschleunigungs- bzw. Verzögerungssignal durch eine Addition der Speicherinhalte der Speicherregister gewonnen. Zu den oben genannten Zeit­ punkten, an denen eine Signaländerung gemessen wird, wird auch der Inhalt der Speicherregister im Speicher verscho­ ben, so daß das zuerst im Speicher eingespeicherte Ände­ rungssignal aus dem Speicher entfernt wird und die übrigen Signale nach dem bekannten Prinzip eines Schieberegisters um eine Registerstelle weiterrücken. In die dadurch frei gewordene letzte Registerstelle wird der nächste Meßwert eingeschrieben. Es werden also die Meßwerte aufeinander­ folgender Intervalle eines Arbeitsspieles in aufeinander­ folgenden Registern des Speichers abgelegt und die Inhalte der Register des Speichers untereinander verknüpft. Auf diese Weise ist zwar die Gewinnung eines Beschleunigungs- oder Verzögerungssignals möglich, jedoch können keine auf­ tretenden Unterschiede im Betriebsverhalten einer Brenn­ kraftmaschine bezogen auf die sich entsprechenden Inter­ valle aufeinanderfolgender Arbeitsspiele untersucht werden.

Aus der DE-OS 27 42 057 ist zwar bekannt, Teilarbeits­ spiele mit Hilfe eines Zahnmeßfühlers, der den Vorbeigang von Zähnen des Motorschwungrads abfühlt, zu messen. Die Augenblicksdrehzahl des Motors wird getrennt für jeden Zylinder, und zwar zu Beginn und am Ende jedes Zylinder­ hubs, ermittelt und daraus ein Maß für die Beschleunigung, die während des Verbrennungshubs des zugeordneten Zylinders auftritt, abgeleitet. Aus dem Vergleich der Drehzahlangaben, die in den entsprechenden Messungen für andere Zylinder ermittelt wurden, folgt ein Maß für den entsprechenden Leistungsbeitrag der einzelnen Zylinder. Es ist jedoch nicht möglich, diese Daten mit den entsprechen­ den Daten des momentanen Teilarbeitsspiels zu vergleichen, um daraus zum Beispiel Angaben über Drehungleichförmigkei­ ten eines Zylinders innerhalb eines Arbeitsspiels zu er­ halten.

Aufgabe der Erfindung ist es, für Regelzwecke ein Verfah­ ren der gattungsgemäßen Art auszubilden, das es gestattet, eine exakte Drehzahlmessung und Erkennung von Drehungleich­ förmigkeiten bei einer Brennkraftmaschine durchzuführen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeich­ nenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale ge­ löst. Weitere Vorteile und Ausführungsformen sind Gegen­ stand der Unteransprüche und der Beschreibung.

Bei einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine wird ein Arbeits­ spiel in mehrere gleich große Intervalle aufgeteilt. Über geeignete Sensoren wird die Drehbewegung der Brennkraftma­ schine erfaßt und es werden die für jedes der vorbestimm­ ten Intervalle des Arbeitsspieles erforderlichen Zeiten gemessen. Diese Meßwerte innerhalb eines jeden Arbeitsspie­ les werden in der Reihenfolge ihrer Ermittlung in aufein­ anderfolgenden Speicherregisterzellen eines Steuergeräts abgelegt. Im darauffolgenden Arbeitsspiel werden wieder von Neuem die für die einzelnen Intervalle des neuen Ar­ beitsspieles erforderlichen Zeiten gemessen. Der nächste Verfahrensschritt vergleicht dann jeweils die entsprechen­ den gemessenen Zeiten des letzten Arbeitsspiels mit den in den Speicherregisterzellen befindlichen Werten des voran­ gegangenen Arbeitsspiels und ersetzt nach durchgeführter Subtraktion die gespeicherten Werte durch die jeweils neu gewonnenen Werte, z.B. durch Überschreiben der Speicher­ registerinhalte. Die derart gewonnenen Vergleichswerte können sodann zu Regelungszwecken für die Brennkraftma­ schine benutzt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sei nachstehend an­ hand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer erfindungs­ gemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 einen Funktionsplan des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 3 einen Funktionsplan des Verfahrens nach Fig. 2 in abgewandelter Form,

Fig. 4 ein Beispiel für eine die mittlere Drehzahl beeinflussende Kennlinie,

Fig. 5 ein Beispiel für eine die zeitliche Ablei­ tung d/dt beeinflussende Kennlinie.

In der Fig. 1 ist in einer Prinzipskizze eine erfindungs­ gemäße Vorrichtung mit einer Brennkraftmaschine 1 sowie einer dazugehörigen Einspritzpumpe 2 zu sehen. Ein mit der Abtriebswelle der Brennkraftmaschine 1 gekuppelter Zahn­ kranz, z.B. eines Anlasserzahnrads 3, ermöglicht es, mit Hilfe eines geeigneten Sensors 4, der z. B. ein induktiver Sensor sein kann, die Drehzahl der Brennkraftmaschine 1 zu erfassen und an das Steuergerät 5, in welchem die gemesse­ nen Drehzahlwerte gespeichert werden, weiterzugeben. Das Steuergerät 5 führt auch eine Auswertung der Drehzahlwerte mittels Algorithmen und Vergleichsoperationen durch und gibt die Ergebnisse dieser Auswertung an eine Einheit 6 zum Ansteuern entsprechender Stellglieder an der Brenn­ kraftmaschine 1, wie z. B. der Einspritzpumpe 2, weiter.

Der in Fig. 2 dargestellte Funktionsplan zeigt einen Drehzahlsensor 4, der die Drehzahl einer mit der Abtriebs­ welle einer Brennkraftmaschine gekuppelten Einrichtung, wie z. B. eines Anlasserzahnrads, erfaßt. Der in diesem Block dargestellte Signalverlauf des z. B. induktiven Sen­ sors 4 wird in einem Impulsformer 7 zu dem dort dargestell­ ten Signalverlauf umgeformt. Die lmpulse aus dem Impuls­ former 7 steuern, nachdem sie in einem Frequenzteiler 8 geteilt wurden, eine Torschaltung 9, mittels derer die in einem Generator 10 erzeugten Zählimpulse an einen Zähler 11 gelangen. Die Länge der Zählintervalle, d.h. die Anzahl der Zähne des Anlasserzahnrads, die während eines Inter­ valls den Sensor 4 passieren, ist so gewählt, daß das Ver­ hältnis der Anzahl k dieser Zähne ein ganzzahliger Teiler der Gesamtzähnezahl i des Anlasserzahnrads ist. Auf diese Weise ist ein Betrieb ohne sog. Jitter, d. h. ohne Synchro­ nisationsfehler gewährleistet. Dieses Verhältnis i/k bil­ det das Teilerverhältnis des Frequenzteilers 8. Mit Hilfe dieses Frequenzteilers 8 wird also ein Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine - entsprechend zwei Kurbelwellenumdre­ hungen bei einer Viertakt-Brennkraftmaschine - in einzelne, gleich große Intervalle unterteilt, während derer die Zähl­ impulse des Generators 10 zum Zähler 11 gelangen. Durch die feste Frequenz des Zählimpulsgenerators 10 ist der Zählerstand des Zählers 11 ein Maß für die Drehgeschwindig­ keit des Anlasserzahnrads und somit auch der Brennkraftma­ schine. Er verhält sich dabei umgekehrt proportional zur Drehgeschwindigkeit der Brennkraftmaschine. Die Meßergeb­ nisse der Drehgeschwindigkeiten in den einzelnen Intervallen jedes Arbeitsspieles, d. h. die Zählerstände für diese Intervalle gelangen nacheinander einerseits über ein Schieberegister 12 zu einem Einleseverteiler 13 und andererseits zu einem Subtrahierer 14.

Der Einleseverteiler 13 gibt alle Meßergebnisse eines In­ tervalls nacheinander an jeweils eine der aufeinanderfol­ genden Speicherregisterzellen R₁, . . ., R_n eines Speicherre­ gisters 15. Das Meßergebnis des ersten Intervalls wird also in der Registerzelle R₁ abgespeichert, das des zwei­ ten Intervalls in R₂ usw. Bei einer Viertakt-Brennkraft­ maschine, deren Kurbelwelle und damit auch das Anlasser­ zahnrad zwei Umdrehungen pro Arbeitsspiel durchläuft, sind zur vollständigen Speicherung aller Meßergebnisse eines Arbeitsspieles n=2i/k Speicherregisterzellen erforderlich, wobei i die Gesamtzähnezahl des Anlasserzahnrads und k die Anzahl der Zähne des Anlasserzahnrads, die das Zählinter­ vall festlegen, bedeuten. Bei einer Gesamtzähnezahl von beispielsweise i=144 Zähnen des Anlasserzahnrads und einem gewählten k=24 Zähnen für jedes Zählintervall sind demnach 2i/k=12 Registerzellen R₁ bis R₁₂ zur Speicherung der Meß­ werte eines Arbeitsspieles notwendig.

In einem darauffolgenden Verfahrensschritt werden die ein­ zelnen Meßergebnisse der Intervalle des momentanen Ar­ beitsspiels mit den über einen mit dem Einleseverteiler 13 gekoppelten Ausleseverteiler 16 aus dem Register 15 aus­ gelesenen entsprechenden Meßergebnissen des vorangegan­ genen Arbeitsspiels mit Hilfe des Subtrahierers 14 verglichen und zu Regelzwecken an der Brennkraftmaschine ausgewertet. Nach erfolgtem Vergleich wird das Meßergebnis jedes Intervalls des aktuellen Arbeitsspiels, über das Schieberegister 12 gesteuert, an das Speicherregister 15 gegeben und überschreibt dort den Wert des vorangegangenen Intervalls bis die Ergebnisse des gesamten aktuellen Ar­ beitsspiels im Register 15 gespeichert sind. Dieses Ver­ fahren wird dann für jedes weitere Arbeitsspiel periodisch fortgesetzt, wobei also immer jedes Intervall eines vor­ angegangenen Arbeitsspiels mit dem entsprechenden lnter­ vall des darauffolgenden Arbeitsspiels verglichen wird. Aus diesem Vergleich können Erkenntnisse über die Drehun­ gleichförmigkeit der Brennkraftmaschine gewonnen werden, die dann zu Regelzwecken ausgewertet werden.

Dadurch, daß die genannten Messungen mehrmals während je­ des Arbeitsspiels gemacht werden, können Drehzahländerun­ gen frühzeitig erkannt werden und durch Beobachtung der Änderungstendenzen können gewollte Drehzahländerungen, wie sie z.B. die Folge eines Beschleunigungsvorganges sind, einfach und sicher von Drehungleichförmigkeiten unterschie­ den werden. Dies ist insbesondere bei niedrigen Drehzahlen von großer Bedeutung, da in diesem Fall das Störsignal, d.h. die Drehungleichförmigkeit, das Nutzdrehzahlsignal um ein Mehrfaches überwiegen kann. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, daß es die Möglichkeit bietet, auch Ungleichförmigkeiten im Be­ triebsverhalten einzelner Zylinder festzustellen. Dies geschieht in einfacher Weise dadurch, daß das Verhältnis der Gesamtzähnezahl i des Anlasserzahnrads zur Anzahl k der Zähne in jedem Zählintervall gleich der Zylinderzahl der Brennkraftmaschine oder einem Vielfachen davon ist. Auf diese Weise läßt sich jedes Meßergebnis eindeutig ei­ nem bestimmten Zylinder bzw. sogar einem bestimmten Ar­ beitstakt eines Zylinders zuordnen und es können - wiederum durch Vergleich der entsprechenden Meßergebnisse von auf­ einanderfolgenden Arbeitsspielen - Ungleichförmigkeiten im Betriebsverhalten eines einzelnen Zylinders, z.B. durch Kompressionsverlust, erkannt und zu Regelzwecken, z.B. mittels Mehreinspritzung, genutzt werden.

Aus den Meßergebnissen aller Intervalle eines Arbeits­ spiels wird mit Hilfe des Glieds 17 jeweils der Mittelwert gebildet und dieser Mittelwert a für eine bestimmte Anzahl m von Arbeitsspielen in einzelnen Speicherregisterzellen R_{a 1}, . . ., R_am eines Schieberegisters gespeichert. Nach Ab­ lauf einer bestimmten vorgebbaren Zeit bzw. einer bestimm­ ten Anzahl von Arbeitsspielen ermittelt der Tiefpaß 18 aus den mit registerbezogenem Gewichtungsfaktor multiplizier­ ten Speicherinhalten der Registerzellen R_a eine gewichtet gemittelte Drehzahl der Brennkraftmaschine, sowie in einem Differenzierglied 19 die erste zeitliche Ableitung d/dt dieser mittleren Drehzahl.

Sowohl das Signal der mittleren Drehzahl , als auch das der Ableitung d/dt werden als Eingangsgröße je einem sche­ matisch dargestellten Kennlinienfeld 20 bzw. 21 zugeführt, wobei die Kennlinie für das Signal der mittleren Drehzahl z. B. den in Fig. 4 gezeigten Verlauf aufweisen kann und die Kennlinie für das Signal der Ableitung d/dt beispiels­ weise den in Fig. 5 gezeigten Verlauf. Die aus den Kenn­ linien ermittelten Ausgangsgrößen _v bzw. d_v/dt gelangen zu einem Summierpunkt 22 und von dort aus zu einem Kompa­ rator bzw. Subtrahierer 23, der aus diesem Signal und den oben beschriebenen Ergebnissen des Vergleichs der Drehge­ schwindigkeiten der einzelnen entsprechenden Intervalle, die vom Subtrahierer 14 stammen, in der Endstufe 24 zur Regelung der Brennkraftmaschine aufzubereitende Stellgrö­ ßen erzeugt.

Fig. 3 zeigt eine Abwandlung des Funktionsplans nach Fig. 2, wobei übereinstimmende Teile mit den gleichen Be­ zugszeichen wie in Fig. 2 versehen sind. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 wird hierbei die mitt­ lere Drehzahl und die daraus ermittelte Ableitung d/dt nicht aus den gemittelten Intervall-Meßwerten a gewonnen, sondern die Drehzahlimpulse gelangen direkt vom Impulsfor­ mer 7 über eine weitere Torschaltung 25 und einen eigenen Zähler 26 zum Tiefpaß 18, wo sie zu den erforderlichen Werten weiterverarbeitet werden.

Bei einer möglichen Realisierung des Verfahrens mit Hilfe eines programmierbaren Mikroprozessors kann auf einfache Weise die Erfassung und Auswertung der Meßergebnisse be­ stimmter Intervalle der periodisch wiederkehrenden Arbeits­ spiele ausgesetzt werden, um dadurch Rechenzeit für andere Aufgaben, wie z. B. für Diagnosezwecke oder zur Gewinnung von Übertragungszeit für serielle Schnittstellen, zu schaffen.

Des weiteren ist es bei dem Einsatz eines Mikroprozessors möglich, einfache, jedoch echtzeitkritische Operationen, wie z. B. die Zähl- oder Vergleichsoperationen innerhalb des Verfahrens, über Hard- bzw. Firmware zu realisieren, während aufwendigere und rechenzeitintensive Operationen, wie sie z.B. die Mittelwertbildung und die Differenzierung darstellen, im Hintergrund über Softwarerealisierung ab­ laufen, um dann als Vergleichs- bzw. Korrekturwert im Kom­ parator/Subtrahierer 23 Berücksichtigung zu finden.

Claims (10)

1. Verfahren zur Erfassung und Auswertung der Drehzahl bei Mehrzylinder-Brennkraftmaschinen mit einem Sensor zur Er­ fassung der Drehzahl, einem Steuergerät mit Speicherregi­ stern zur Speicherung der gemessenen Drehzahlwerte und mit einem Vergleicher zur Auswertung der gespeicherten Werte bestimmter Speicherregister und momentaner Werte, sowie mit einer Einheit zum Ansteuern entsprechender Stellglie­ der mit den Ergebnissen dieser Auswertung zur Beeinflus­ sung der Brennkraftmaschine, wobei folgende wiederkehrende Schritte ausgeführt werden:

• a) Messung der für bestimmte aufeinanderfolgende, gleich große Intervalle eines Arbeitsspieles erforderlichen Zeiten,
• b) Abspeicherung dieser Meßergebnisse in getrennten, auf­ einanderfolgenden Speicherregistern (R₁, . . . , R_n),

gekennzeichnet durch

• c) Wiederholung des Schrittes a) für das darauffolgende Arbeitsspiel,
• d) Subtraktion der entsprechenden einzelnen Meßergebnisse der beiden aufeinanderfolgenden Arbeitsspiele und
  Ersetzen der in den entsprechenden Registern (R₁, . . ., R_n) gespeicherten Meßergebnisse des vorangegangenen Arbeitsspieles durch die entsprechenden Meßergebnisse des darauffolgenden Arbeitsspieles,
• e) Auswertung des Ergebnisses des Vergleichs für Regel­ zwecke.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Messung der für das Vorbeilaufen einer bestimmten Anzahl (k) von Zähnen eines mit dem Abtrieb der Brennkraft­ maschine gekuppelten Zahnkranzes benötigten Zeit.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleich der einzelnen Meßergebnisse mit einem aus den gewichteten Mittelwerten () aus den Meßergebnissen der voran­ gegangenen Arbeitsspiele gewonnenen Vergleichswerten erfolgt, wobei die Gewichtung mit Hilfe von in einem Kennlinienfeld ab­ gelegten Kennlinien erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleich der einzelnen Meßergebnisse mit einem aus den gewichteten Mittelwerten der zeitlichen Ableitungen (d/dt) aus den Meßergebnissen der vorangegangenen Arbeitsspiele gewon­ nenen Vergleichswert erfolgt, wobei die Gewichtung mit Hilfe von in einem Kennlinienfeld abgelegten Kennlinien erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfahrensschritte bestimmter Intervalle der pe­ riodisch wiederkehrenden Arbeitsspiele ausgesetzt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zeitkritische, einfache Verfahrensschritte durch Hard-/Firmware realisiert sind, während rechenzeitinten­ sive, nicht-zeitkritische Verfahrensschritte durch Soft­ ware realisiert sind und im Hintergrund ablaufen.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der Zeit die Zähne eines Anlasserzahnrades (3) von einem Sensor (4) erfaßt werden und die Anzahl (k) der bei den jeweiligen Einzelmessungen erfaßten Zähne ein Teiler der Gesamtzähnezahl (i) des Anlasserzahnrads (3) ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der Zeit die Zähne eines Anlasserzahnrades (3) von einem Sensor (4) erfaßt werden und das Verhältnis von Gesamtzähnezahl (i) des Anlasserzahnrads (3) zur An­ zahl (k) der für eine Einzelmessung erfaßten Zähne der Zylinderzahl der Brennkraftmaschine (1) oder einem Viel­ fachen davon entspricht.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (4) ein induktiver Sensor ist.