DE4114170A1 - Verfahren und vorrichtung zum bearbeiten von signalen von luftmassenstroemungsfuehlern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bearbeiten von Signalen von einem Massenluftstromfühler, beispielsweise zum Einsatz bei der Bestimmung der in eine Fahrzeugmaschine einzuspritzende Treibstoffmenge.

Um eine genaue Berechnung der Treibstoffeinspritzmenge bei einer Brennkraftmaschine zu ermöglichen, ist es notwendig, zuerst die Massenluftstromrate genau zu bestimmen. Wenn die Massenluftstromrate bekannt ist, wird die Menge des einzuspritzenden Treibstoffs entsprechend einem gewünschten Luft/Treibstoff-Verhältniswert errechnet. Um ein rasches Ansprechen der Treibstoff-Steuerung auf Luftströmungs-Änderungen zu ermöglichen, muß die Massenluftstromrate mit minimaler Verzögerung bestimmt werden.

Allgemein werden Heißelement-Anemometer (Hitzdraht-Anemometer) als Luftstrommesser verwendet. In vielen Fällen haben diese Meßgeräte ein träges Ansprechverhalten und folgen so nicht rasch den Luftstrom-Änderungen. Es ist dazu eine Eigenschaft von derartigen thermischen Geräten, daß die Ansprechzeit sich mit der Luftstromrate ändert, wobei höhere Luftstromraten kürzere Ansprechzeiten ergeben. So hängt das Ausmaß der Verzögerung oder des Fehlers des Ausgangssignals des Meßinstruments von der Luftstromrate ab.

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren und eine solche Vorrichtung zum Bearbeiten von Signalen von einem Massenluftstromfühler zu schaffen, um insbesondere dessen effektive Ansprechzeit zu verbessern.

Zum Erreichen dieses Ziels wird erfindungsgemäß eine Vorrichtung zum Bearbeiten eines Signals von einem Massenluftstromfühler geschaffen mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1; dazu schafft die Erfindung ein Verfahren zum Bearbeiten eines Ausgangssignals eines Massenluftstromfühlers mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 9.

Die Erfindung kann benutzt werden, um ein Verfahren der digitalen Berechnung eines Wertes zu schaffen, der die tatsächliche Luftstromrate aus dem Ausgangssignal eines thermischen Massenluftstrommeters eng nachbildet.

Das Ausgangssignal eines Massenluftstrommeters kann digital gefiltert werden unter Benutzung einer sich ändernden Zeitkonstante zur Bestimmung eines Differential-Filterterms.

Eine Eichung kann durchgeführt werden unter Benutzung eines Mikrocomputers und feinabgestimmt mit Emissions-Überprüfungen. Der Signalprozessor kann kompakt aufgebaut und schnell gemacht werden und befähigt, mit hohen Abtastraten zu laufen.

Dabei können einige Ausbildungen der Erfindung selbstverständlich durch Software erzielt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Fahrzeugmaschine, mit der ein Luftmassenströmungsfühler und eine Maschinensteuerung verbunden ist,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Ausführung des in der Steuerung nach Fig. 1 enthaltenen Signalprozessors,

Fig. 3 eine graphische Darstellung eines Ausgangssignals eines Massenluftstromfühlers mit und ohne Bearbeitung, verglichen mit der tatsächlichen Luftströmungsrate, und

Fig. 4 eine Darstellung einer anderen Ausführung eines Signalprozessors.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Kraftfahrzeug-Steuersystems mit einer Ausführung eines Signalprozessors. Ein Massenluftstromfühler (mass airflow sensor = MAS) 10 in dem Lufteinführungs-Durchlaß 12 einer Maschine 14 ist mit einer Maschinensteuerung 16 verbunden.

Die Steuerung 16 ist eine Steuerung auf Grundlage eines Mikroprozessors, der einen Signalprozessor enthält und auch zur Überwachung einer Vielzahl von Maschinenparametern ausgelegt ist. Sie ist mit Treibstoffinjektoren 18 und auch mit anderen Maschinenbetriebselementen verbunden, um diesen Signale zuzuführen, die sich auf die Treibstoffinjektions-Anforderungen und andere Anforderungen beziehen.

Ein Blockschaltbild der Ausführung des in der Steuerung 16 enthaltenen Signalprozessors ist in Fig. 2 gezeigt. Der Signalprozessor ist ausgelegt, die Signale des Massenluftstromfühlers 10 zu bearbeiten und ein Ausgangssignal zu erzeugen, das eine genauere Repräsentation der tatsächlichen Luftstromrate darstellt. Dieses Ausgangssignal wird dann benutzt, um die Menge des einzuspritzenden Treibstoffs zu bestimmen.

Der Signalprozessor umfaßt eine Eingangsklemme 20, die am Ausgang des Massenluftstromfühlers 10 angeschlossen ist und Signale von dem Fühler 10 erhält. Ein Abtastkreis 12 wird durch eine Taktschaltung 24 mit einer Frequenz von 1/T Hz angesteuert und ist mit der Eingangsklemme 20 verbunden, um das Signal vom Massenluftstromfühler zu erhalten. Das Ausgangssignal des Abtastkreises 22 wird einer Nachschautabelle 26 zugeführt, einem Verzögerungselement 28 mit einer Verzögerungszeit T s, einem Prozessor 30 mit einem Filter 36. Im Gebrauch erzeugt die Schaltung 22 nach jeweils T s einen Signalabtastungseingang[0].

Die Nachschautabelle 26 ist mit dem Prozessor 30 verbunden und ausgelegt, dem Prozessor zwei Parameter a und c zur Verwendung bei der Bearbeitung des Abtast-Eingangssignals[0] zuzuführen. Die Parameter a und c stellen Filterzeitkonstanten dar und beziehen sich auf die Ansprechzeit w des Meßinstruments 10 und die Abtastperiode T. Es ist insbesondere

a = (2/T)/(w+2/T), und c = (-w+2/T)/(w+2/T).

Bei einem bestimmten Meßinstrument 10 kann die Ansprechzeit w (die Zeitkonstante des Meßinstruments) empirisch als eine Funktion der Luftströmungsrate gefunden werden.

Das Ausgangssignal des Verzögerungselements 28 ist ebenfalls mit dem Prozessor 30 gekoppelt, so daß der Prozessor das augenblickliche Abtast-Eingangssignal[0] und das vorhergehende Abtast-Eingangssignal[-1] erhält.

Eine Ausgangsklemme des Prozessors 30 ist über einen Verstärker 34, der einen Verstärkungsfaktor K hat, mit dem Filter 36 verbunden, um ein Ausgangssignal zur Verwendung als Filter- Zeitkonstante zu schaffen. Ein Pufferspeicher 32 ist im Prozessor 30 vorgesehen, um das zu dem vorhergehenden Bearbeitungsintervall gehörige Ausgangssignal zu speichern.

Im Gebrauch wird das Signal vom Massenluftstromfühler 10 dem Signalprozessor durch die Eingangsklemme 20 angelegt. Der Abtastkreis 22 tastet unter Steuerung des Taktgebers 24 das Signal jeweils nach T s ab, um ein Abtast-Eingangssignal[0] zur Verwendung bei der Bearbeitung des Signals zu schaffen.

Das Abtast-Eingangssignal[0] wird zu der Nachschautabelle 26 geführt und als eine Adresse benutzt, um die angemessenen Werte für a und c für das entsprechende Abtast-Eingangssignal[0] zu erhalten.

Unter Benutzung der erhaltenen Werte a und c zusammen mit dem Wert des augenblicklichen Abtast-Eingangssignals[0] von dem Abtastkreis 22 und dem Wert des vorherigen Abtast-Eingangssignals[-1] erzeugt der Prozessor 30 ein Fehler-Ausgangssignal[0], bezogen auf die Abweichung des Signals des Massenluftstromfühlers 10 von der wahren Luftströmung. Insbesondere errechnet der Prozessor 30 einen Fehlerwert Fehler[0] aufgrund der nachfolgenden Gleichung:

Fehler[0] = a*(Eingang[0] - Eingang[-1] + c*Fehler[-1],

wobei Fehler[-1] der für die vorhergehende Signalabtastung errechnete und im Pufferspeicher 32 des Prozessors 30 gespeicherte Fehlerwert ist.

Das errechnete Fehlersignal Fehler[0] wird von dem Prozessor 30 dem Filter 36 zugführt nach Verstärkung mit dem Faktor K durch den Verstärker 34, so daß das dem Filter zugeführte Signal Fehler[0]*K ist.

Das verstärkte Fehlersignal steuert die Filtercharakteristiken des Filters 36. So wird das verstärkte Fehlersignal K*Fehler[0] dem vom Massenluftstromfühler 10 erhaltenen Signal hinzugefügt, um die Ansprechzeit des Massenluftstrommessers 10 in Rechnung zu ziehen. Das Ausgangssignal an Klemme 38 (das gleich ist Eingangssignal[0] + K*Fehler[0]) wird deswegen den tatsächlichen Luftströmungswert genauer darstellen.

Wie sich ergibt, verhält sich das Filter 36 unter Steuerung des Prozessors 30 wie ein Filter mit einer variablen Zeitkonstante.

In der Praxis läßt der Signalprozessor das Signal vom Massenluftstromfühler 30 mit der Abtastrate bearbeiten durch Hinzufügung von Führungstermen zu dem Signal, so daß das sich ergebende kombinierte Ausgangssignal rascher auf Änderung der Luftströmung anspricht. Wie sich aus dem Vorstehenden ergibt, hängt der Führungsterm oder Differentialfehlerterm von der Änderung des Signals (ΔEingangssignal) von dem vorhergehenden Abtast-Eingangssignal[-1] zu dem gegenwärtigen Abtast-Eingangssignal[0] ab und auch von der Ansprechzeit des Meßinstruments bei der gegenwärtigen (aktuellen) Luftströmungsrate.

In der Auswirkung wird jedesmal, wenn ein neues Abtast-Eingangssignal[0] genommen wird, die folgende Bearbeitung ausgeführt:

(i) besorge Nachschau-Filterzeitkonstanten a und c in der Nachschautabelle unter Benutzung von Eingangssignal[0],

(ii) errechne Fehler[0]=a*(Eingang[0]-Eingang[-1] + c*Fehler(-1],

(iii) errechne Ausgangssignal = Eingangssignal[0] + K*Fehler[0],

(iv) setze Eingangssignal[-1] = Eingangssignal[0], und

(v) setze Fehler[-1] = Fehler[0].

Die graphische Darstellung der Fig. 3 zeigt die tatsächliche Luftströmungsrate (Kurve A) bei einer stufenartigen Erhöhung der Drosselöffnung und das Ansprechverhalten des Massenluftstromfühlers 10 (Kurve B). Die durch den Signalprozessor durch Abtasten des Signals vom Massenluftstromfühler 10 mit einer festgesetzten Rate T, z. B. alle 6,25 µs, entwickelte korrigierte Massenluftstromfühler-Ansprechkurve ist als Kurve C gezeigt.

Diese sich ergebende Kurve C bildet die tatsächliche Luftströmung genauer und mit viel geringerer Verzögerungszeit nach.

Das Verfahren kann auch auf Kosten von Bearbeitungszeit und Speicher zu größerer Genauigkeit entwickelt werden. Beispielsweise kann ein Fehlerterm zweiter Ordnung Fehler[0]2 errechnet werden durch Schaffen einer zweiten Nachschautabelle für Konstanten zweiter Ordnung a2 und c2, die eine Funktion einer Fühlerzeitkonstanten zweiter Ordnung w2 sind, und durch Errechnen des Fehlers zweiter Ordnung in der gleichen Weise, wie vorhin anhand des Fehlers erster Ordnung beschrieben. Ein Verstärkungsfaktor zweiter Ordnung K2 wird dann verwendet, um das Ausgangssignal zu errechnen, das als

Ausgang = Eingang[0] + K*Fehler[0] + K2*Fehler[0]2

erhalten wird.

Fig. 4 zeigt eine Filterschaltung, die ausgelegt ist, um auch diesen Filterungsvorgang zweiter Ordnung auszuführen. Sie enthält ein Tiefpaßfilter 40 erster Ordnung und ein Tiefpaßfilter 42 zweiter Ordnung, die jeweils ein Ausgangssignal haben, das zu dem Eingangssignal addiert wird über eine Summierungsschaltung 44, um das Ausgangssignal zu bilden. Jedes Filter 40, 42 besitzt eine variable Zeitkonstante oder Bandbreite aufgrund des Wertes des Abtast-Eingangssignals[0]. Das wird in der Zeichnugn durch die Kurvenfamilie in den beiden Kästen 40, 42 symbolisiert.

Es ist für den Fachmann leicht einzusehen, wie die Schaltung nach Fig. 2 modifiziert werden kann, um einen Fehlerterm zweiter Ordnung zu erhalten.

Bei einer anderen Ausführung ist das Eingangssignal für das Filter 36 das von dem Massenluftstromfühler 10 abgetastete Signal. Das Ausgangssignal des Filters 36 ist in diesem Fall

Ausgang = (Fehlersignal) + K*Fehler[0],
Ausgang = (Fehlersignal) + K*Fehler[0] + K2*Fehler[0]2.

Diese Ausführung ist besonders für Analogfilter geeignet.

Claims (15)

1. Vorrichtung zum Bearbeiten eines Signals von einem Massenluftstromfühler, gekennzeichnet durch Abtastmittel (22) zum periodischen Abtasten eines Signals von einem Massenluftstromfühler; ein erstes Filter (36) mit einer variablen Zeitkonstante zum Filtern des Signals; Mittel zum Errichten eines oder mehrerer Parameter (a, c) von einer Signalabtastung zur Verwendung beim Bestimmen der Zeitkonstanten des ersten Filters, und Bearbeitungsmittel (30) zum Bestimmen eines für die Zeitkonstante, auf die das erste Filter zu setzen ist, von aus dem errichteten Parameter oder den Parametern (a, c) repräsentativen Wert, wobei das Bearbeitungsmittel ausgelegt ist, die Zeitkonstante des ersten Filters aufgrund des bestimmten Wertes nachzustellen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Verzögerungsmittel (28) vorgesehen ist zur Verwendung beim Erhalten aufeinander folgender Signalabtastungen, wobei das Bearbeitungsmittel (30) ausgelegt ist, den Wert aufgrund der Differenz zwischen aufeinanderfolgenden Signalabtastungen, der Abtastrate (T) und des Parameters oder der Parameter (a, c) zu bestimmen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Nachschautabelle (26) vorgesehen ist, die zum Zugriff durch eine Signalabtastung zum Erzielen des Parameters oder der Parameter ausgelegt ist, die für diese Signalabtastung angemessen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der oder jeder Parameter eine Funktion der Abtastrate (T) und der Massenluftstromfühler-Ansprechzeit (w) ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß erste und zweite Parameter (a, c) vorgesehen sind, wobei der erste Parameter bestimmt ist aufgrund der Gleichung a = (2/T)/(w + 2/T)und der zweite Parameter bestimmt ist aufgrund der Gleichungc = (-w +2/T)/w + 2/T),wobei die Terme wie in der Beschreibung definiert sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Bearbeitungsmittel (30) ausgelegt ist, den Wert aufgrund der Gleichung Fehler[0] = a*(Eingang[0] - Eingang[-1]) + c*Fehler[-1]zu bestimmen, deren Terme in der Beschreibung definiert sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Filter (36) ausgelegt ist, das Signal aufgrund der Gleichung Ausgang = Eingang[0] + K*Fehler[0]zu filtern, deren Terme in der Beschreibung definiert sind.

8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Filter (42) vorgesehen ist, wobei das erste Filter (40) ausgelegt ist, das Singal aufgrund eines Wertes erster Ordnung zu filtern, das zweite Filter ausgelegt ist, das Signal aufgrund eines Wertes zweiter Ordnung zu filtern, daß die Mittel (26) zum Errichten eines oder mehrerer Parameter(s) ausgelegt sind, einen oder mehrere Parameter erster Ordnung (a, c) und einen oder mehrere Parameter zweiter Ordnung (a2, c2) zu errichten und daß das Bearbeitungsmittel (30) ausgelegt ist, Werte erster und zweiter Ordnung aus den Parametern erster bzw. zweiter Ordnung zu bestimmen.

9. Verfahren zum Bearbeiten eines Signals von einem Massenluftstromfühler, dadurch gekennzeichnet, daß periodisch ein Signal vom Massenluftstromfühler abgetastet wird, daß das Signal aufgrund einer bestimmten Filterzeitkonstante gefiltert wird; daß ein Parameter oder mehrere Parameter (a, c) von einem Abtastsignal errichtet werden zur Verwendung beim Bestimmen der Filterzeitkonstante; daß aus dem errichteten Parameter oder den Parametern (a, c) ein für die Filterzeitkonstante repräsentativer Wert bestimmt wird; und daß die Filterzeitkonstante aufgrund des bestimmten Wertes nachgestellt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß aufeinanderfolgende Signalabtastungen erhalten werden und das Bestimmen des Wertes das Bestimmen des Wertes aufgrund der Differenz zwischen aufeinander folgenden Abtastsignalen, der Abtastrate (T) und des Parameters oder der Parameter (a, c) umfaßt.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Errichten eines oder mehrerer Parameter das Errichten des oder der Parameter als ein Funktion der Abtastrate (T) und der Luftmassenströmungsfühler- Ansprechzeit (w) umfaßt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Errichten eines oder mehrerer Parameter umfaßt das Errichten erster und zweiter Parameter (a, c) und das Bestimmen des ersten Parameters aufgrund der Gleichung a = (2/T)/(w + 2/T)und des zweiten Parameters aufgrund der Gleichungc = (-w + 2/T)/(w + 2/T)geschieht, deren Terme in der Beschreibung definiert sind.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Bestimmen eines Wertes umfaßt das Bestimmen des Wertes aufgrund der Gleichung Fehler[0] = a*(Eingang[0] - Eingang[1]) + c*Fehler[-1],deren Terme in der Beschreibung definiert sind.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Filtern des Signals das Filtern des Signals aufgrund der Gleichung Ausgang = Eingang[0] + K*Fehler[0]umfaßt, deren Terme in der Beschreibung definiert sind.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Errichten eines oder mehrerer Parameter das Errichten eines oder mehrerer Parameter erster Ordnung (a, c) und eines oder mehrerer Parameter zweiter Ordnung (a2, c2) umfaßt, das Bestimmen eines Wertes das Bestimmen von Werten erster und zweiter Ordnung aus den Parametern erster bzw. zweiter Ordnung umfaßt, und das Filtern des Signals das Filtern des Signals aufgrund der Werte erster und zweiter Ordnung umfaßt.