DE4114170C2

DE4114170C2 -

Info

Publication number: DE4114170C2
Application number: DE4114170A
Authority: DE
Inventors: Gregory P. Drayton Plain Mich. Us Gee; Edward J. Luxembourg-Belair Luxemburg/Luxembourg Lu Martin; David P. Holly Mich. Us Prawdzik
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1990-05-03
Filing date: 1991-04-30
Publication date: 1993-03-04
Also published as: US5014550A; GB2243692B; GB2243692A; JPH04358743A; DE4114170A1; GB9107524D0

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Auswertung des Signals eines Luftstromfühlers.

Um eine genaue Berechnung der Treibstoffeinspritzmenge bei einer Brennkraftmaschine zu ermöglichen, ist es notwendig, zuerst die durch einen Querschnitt hindurchfließende Luftmenge genau zu bestimmen. Wenn die Luftstromrate bekannt ist, kann die Menge des einzuspritzenden Treibstoffs entsprechend einem gewünschten Luft/Treibstoff-Verhältniswert errechnet werden. Um dabei ein rasches Ansprechen zu ermöglichen, muß die Luftstromrate mit einer minimalen Verzögerung bestimmt werden.

Herkömmlicherweise werden Heißelement-Anemometer (Hitzdraht- Anemometer) als Luftstrommesser verwendet. In vielen Fällen haben diese Meßgeräte ein träges Ansprechverhalten und folgen so den Luftstromänderungen nur langsamer als wünschenswert wäre. Weiterhin ist es eine Eigenschaft von derartigen thermischen Geräten, daß sich die Ansprechzeit mit der Luftstromrate ändert, wobei höhere Luftstromraten kürzere Ansprechzeiten ergeben. So hängt das Ausmaß der Verzögerung oder des Fehlers des Ausgangssignals des Meßinstruments zusätzlich von der Luftstromrate ab.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren und eine solche Vorrichtung zum Auswerten von Signalen eines Luftstromfühlers zu schaffen, um insbesondere dessen effektive Ansprechzeit zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.

Mit den erfindungsgemäßen Verfahren kann durch die digitale Berechnung eines Wertes die tatsächliche Luftstromrate aus dem Ausgangssignal eines thermischen Luftstrommeters möglichst genau nachgebildet werden.

Dabei kann das Ausgangssignal des Luftstrommeters unter Benutzung einer sich ändernden Zeitkonstante zur Bestimmung eines Differential-Filterterms digital gefiltert werden.

Weiter kann unter Benutzung eines Mikrocomputers eine Eichung durchgeführt und mit Emissions-Überprüfungen feinabgestimmt werden. Die Signalprozessorschaltung kann sowohl kompakt aufgebaut als auch sehr schnell betrieben werden und mit hohen Abtastraten laufen.

Dabei können einige Ausbildungen der Erfindung selbstverständlich durch Einsatz von 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 Luftströmungsfühler und eine Maschinensteuerung verbunden ist,

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

Fig. 3 eine graphische Darstellung eines Ausgangssignals eines Luftstromfühlers mit und ohne Auswertung, sowie die tatsächliche Luftströmungsrate, und

Fig. 4 eine Darstellung eines anderen Ausführungsform einer Signalprozessorschaltung.

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

Die Basis der Steuerung 16 bildet ein Mikroprozessor, der einen Signalprozessor enthält und ebenfalls zur Überwachung einer Vielzahl von Maschinenparametern geeignet ist. Die Steuerung 16 ist weiter mit Treibstoffinjektoren 18 und auch mit anderen Maschinenbetriebselementen verbunden, um diesen Signale zuzuführen, die sich auf die Treibstoffinjektions-Anforderungen und andere Anforderungen beziehen.

In Fig. 2 ist ein Blockschaltbild der Ausführungsform der in der Steuerung 16 enthaltenen Signalprozessorschaltung gezeigt. Die Signalprozessorschaltung ist geeignet, die Signale des Luftstromfühlers 10 zu bearbeiten und ein End-Ausgangssignal zu erzeugen, das eine genaue Repräsentation der tatsächlichen Luftstromrate darstellt. Dieses End-Ausgangssignal wird dann zum Bestimmen der Menge des einzuspritzenden Treibstoffs benutzt.

Die Signalprozessorschaltung umfaßt eine Eingangsklemme 20, die am Ausgang des Luftstromfühlers 10 angeschlossen ist und Signale von diesem enthält. Ein Abtastkreis 22 wird durch eine Taktschaltung 24 mit einer Frequenz von 1/T Hz angesteurt und ist mit der Eingangsklemme 20 verbunden, um das Signal vom Luftstromfühler 10 zu empfangen. Ein Ausgangssignal des Abtastkreises 22 wird einer Nachschautabelle 26, einem Verzögerungselement 28 mit einer Verzögerungszeit T sec, einem Signalprozessor 30 und einem Filter 36 zugeführt. Bei seinem Betrieb erzeugt der Abtastkreis 22 nach jeweils T sec ein Abtast-Eingangssignal[0].

Die Nachschautabelle 26 ist mit dem Signalprozssor 30 verbunden und geeignet, dem Signalprozessor 30 zwei Parameter a und c zur Verwendung bei der Auswertung des Abtast-Eingangssignals [0] zuzuführen. Die Parameter a und c stellen Filterzeitkonstanten dar und beziehen sich auf die Ansprechzeit s des Luftstromfühlers 10 und die Abtastperiode T. Es gilt insbesonders

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

Bei einem bestimmten Luftstromfühler 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 Signalprozessor 30 gekoppelt, so daß der Signalprozessor 30 das augenblickliche Abtast-Eingangssignal[0] und das vorhergehende Abtast-Eingangssignal[-1] erhält.

Eine Ausgangsklemme des Signalprozessors 30 ist über einen, einen Verstärkungsfaktor K aufweisenden Verstärker 34 mit dem Filter 36 verbunden, um ein Ausgangssignal zur Verwendung als Zeitkonstante für den Filter 36 zu schaffen. Ein Pufferspeicher 32 ist im Signalprozessor 30 vorgesehen, um das zu dem vorhergehenden Bearbeitungsintervall gehörige Ausgangssignal Fehler[-1] zu speichern.

Beim Betrieb wird das Signal vom Luftstromfühler 10 durch die Eingangsklemme 20 an der Signalprozessorvorrichtung angelegt. Der Abtastkreis 22 tastet unter Steuerung des Taktgebers 24 das Signal jeweils nach T sec ab, um ein Abtast-Eingangssignal [0] zur Verwendung bei der Auswertung des Signals zu schaffen.

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

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

Fehler[0]=a · (Abtast-Eingangssignal [0]-
Abtast-Eingangssignal[-1]+c · Fehler[-1],

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

Das errechnete Fehlersignal Fehler[0] wird dem Filter 36 vom Signalprozessor 30 nach Verstärkung mit dem Faktor K durch den Verstärker 34 zugeführt, so daß das dem Filter zugeführte Signal letztendlich Fehler[0] · K ist.

Das verstärkte Fehlersignal Fehler[0] · K steuert die Filtercharakteristiken des Filters 36, und so wird das verstärkte Fehlersignal K · Fehler[0] dem vom Luftstromfühler 10 erhaltenen Signal hinzugefügt, um der Ansprechzeit des Luftstrommessers 10 Rechnung zu tragen. Das End-Ausgangssignal an Klemme 38 (das gleich ist: Abtast-Eingangssignal[0]+K · Fehler[0]) wird so den tatsächlichen Luftströmungswert genauer darstellen.

Das Filter 36 verhält sich unter Steuerung des Signalprozessors 30 wie ein Filter mit einer variablen Zeitkonstante.

In der Praxis bearbeitet die Signalprozessorschaltung das Signal des Luftstromfühlers 10 mit der Abtastrate durch Addition von Führungstermen zum Signal, so daß das sich ergebende kombinierte End-Ausgangssignal rascher auf Änderung der Luftströmung anspricht. Wie sich aus dem Vorstehenden ergibt, hängt der Führungsterm oder Differentialfehlerterm sowohl von der Änderung der Abtast-Eingangssignale (ΔEingangssignal); - insbesondere der Differenz aus dem vorhergehenden Abtast-Eingangssignal[-1] und dem gegenwärtigen Abtast-Eingangssignal[0] - als auch von der Ansprechzeit des Meßinstruments bei der gegenwärtigen (aktuellen) Luftströmungsrate ab.

Dabei werden bei jedem Abtastvorgang eines neuen Abtast-Eingangssignal[0] folgende Bearbeitungsschritte ausgeführt:

(i) besorge Parameter a und c aus der Nachschautabelle 26 unter Benutzung des Abtast-Eingangssignals[0],
(ii) errechne Fehlersignal Fehler[0] durch Fehler[0]=a · (Abtast-Eingangssignal[0] - Abtast-Eingangssignal[-1])+ c · Fehler[-1],
(iii) errechne End-Ausgangssignal=Abtast-Eingangssignal[0]+ K · Fehler[0],
(iv) setze Abtast-Eingangssignal[-1]=Abtast-Eingangssignal[0], und
(v) setze Fehler[-1]=Fehler[0].

Die graphische Darstellung der Fig. 3 zeigt die tatsächliche Luftströmungsrate (Kurve A) bei einer stufenartige Erhöhung der Drosselöffnung und das Ansprechverhalten des Luftstromfühlers 10 (Kurve B). Die durch die Signalprozessorschaltung durch Abtasten des Signals vom Luftstromfühler 10 mit einer festgesetzten Rate T, z. B. alle 6,25 µs, entwickelte korrigierte Luftstromfühler-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 der Bearbeitungszeit und des Speichers zu größerer Genauigkeit entwickelt werden. Beispielsweise kann ein Fehlerterm zweiter Ordnung Fehler₂[0] durch Schaffen einer zweiten Nachschautabelle für Filterzeitkonstanten zweiter Ordnung a2 und c2 errechnet werden, die eine Funktion einer Ansprechzeit zweiter Ordnung w2 sind, und durch Errechnen des Fehlers zweiter Ordnung in der gleichen Weise, wie vorhin anhand des Fehlers erster Ordnung beschrieben wurde. Ein Verstärkungsfaktor zweiter Ordnung K2 wird dann verwendet, um das End-Ausgangssignal zu errechnen, das als

End-Ausgang=Abtast-Eingang[0]+K · Fehler[0]+K2 · Fehler₂[0]

erhalten wird.

Fig. 4 zeigt eine Filterschaltung, die geeignet 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 zum Eingangssignal über eine Summierungsschaltung 44 addiert wird, um das End-Ausgangssignal zu bilden. Jedes Filter 40, 42 besitzt aufgrund des Wertes des Abtast-Eingangssignal[0] eine variable Zeitkonstante oder Bandbreite. Dies wird in der Zeichnung 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 weiteren Ausführungsform ist das Eingangssignal für das Filter 36 direkt das vom Luftstromfühler 10 abgetastete Signal. Das End-Ausgangssignal des Filters 36 ist in diesem Fall beispielsweise

End-Ausgang=(Fühlersignal)+K · Fehler[0],
End-Ausgang=(Fühlersignal)+K · Fehler[0]+K2 · Fehler₂[0].

Eine solche Ausführungsform ist besonders für Analogfilter geeignet.

Claims

1. Vorrichtung zur Auswertung des Signals eines Luftstromfühlers, gekennzeichnet durch:

a) einen Abtastkreis (22) zum periodischen Abtasten des Signals des Luftstromfühlers (10);
b) ein erster Filter (36) mit einer variablen Zeitkonstanten zum Filtern des Signals;
c) eine Nachschautabelle (26) die mit einem Signalprozessor (30) verbunden ist und ihm zwei repräsentative Filterzeitkonstanten a und c bei der Auswertung des Abtast-Eingangssignals[0] zuführt; wobei
d) der Signalprozessor (30) die Zeitkonstante des ersten Filters (36) auf der Grundlage des vorhergehenden Abtast- Eingangssignals[-1] nachstellt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verzögerungselement (28) zur Verwendung beim Erhalten aufeinanderfolgender Signalabtastungen vorgesehen ist, wobei der Signalprozessor (30) geeignet ist, die Zeitkonstante aufgrund der Differenz zwischen aufeinanderfolgenden Signalabtastungen, einer Abtastrate (T) und der Filterzeitkonstante oder der Filterzeitkonstanten (a, c) nachzustellen.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die oder jede Filterzeitkonstante eine Funktion der Abtastrate (T) und einer Luftstromfühler-Ansprechzeit (w) ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß erste und zweite Filterzeitkonstanten (a, c) vorgesehen sind, wobei die erste Filterzeitkonstante aufgrund der Gleichung a=(2/T)/(w+2/T)und die zweite Filterzeitkonstante aufgrund der Gleichungc=(-w+2/T)/w+2/Tbestimmt ist, wobei w die Ansprechzeit des Luftstromfühlers (10) und T die Abtastrate ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalprozessor (30) geeignet ist, die Zeitkonstante aufgrund eines durch die nachfolgende Gleichung bestimmten Wertes
Fehler[0]=a · (Abtast-Eingangssignal[0] -
Abtast-Eingangssignal[-1])+c · Fehler[-1] nachzustellen, wobei Fehler[0] ein momentanes und Fehler[-1] ein vorgehendes Fehlersignal bezeichnet.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Filter (36) geeignet ist, das Signal aufgrund der Gleichung End-Ausgang=Abtast-Eingangssignal[0]+K · Fehler[0]zu filtern, wobei K einen Verstärkungsfaktor darstellt.

7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Filter (42) vorgesehen ist, wobei das erste Filter (40) geeignet ist, das Signal aufgrund eines Wertes erster Ordnung zu filtern und das zweite Filter ausgelegt ist, das Signal aufgrund eines Wertes zweiter Ordnung zu filtern, daß die Nachschautabelle (26) zum Errichten einer oder mehrerer Filterzeitkonstanten ausgelegt sind, insbesondere einer oder mehrere Filterzeitkonstanten erster Ordnung (a, c) und einer oder mehrere Filterzeitkonstanten zweiter Ordnung (a2, c2) und daß der Signalprozessor (30) geeignet ist, die Zeitkonstante aufgrund der Filterzeitkonstanten erster bzw. zweiter Ordnung nachzustellen.

8. Verfahren zur Auswertung des Signals eines Luftstromfühlers nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß periodisch ein Signal vom Luftstromfühler abgetastet wird, daß das Signal aufgrund einer bestimmten Zeitkonstante gefiltert wird; daß eine Filterzeitkonstante oder mehrere Filterzeitkonstanten (a, c) von einem Abtastsignal zur Verwendung beim Bestimmen der Zeitkonstante errichtet werden; daß aus der errichteten Filterzeitkonstante oder den Filterzeitkonstanten (a, c) ein für die Zeitkonstante repräsentativer Wert bestimmt wird; und daß die Zeitkonstante aufgrund des bestimmten Wertes nachgestellt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß aufeinanderfolgende Signalabtastungen erhalten werden, und daß das Bestimmen des Wertes das Bestimmen des Wertes aufgrund der Differenz zwischen aufeinanderfolgenden Abtastsignalen, einer Abtastrate (T) und der Filterzeitkonstante oder einer Filterzeitkonstanten (a, c) umfaßt.

10. Verfahren nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Errichten einer oder mehrerer Filterzeitkonstanten das Errichten der Filterzeitkonstanten (a, c) als eine Funktion der Abtastrate (T) und einer Luftströmungsfühler- Ansprechzeit (w) umfaßt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Errichten eines oder mehrerer Filterzeitkonstanten das Errichten erster und zweiter Filterzeitkonstanten (a, c) umfaßt und daß das Bestimmen der ersten Filterzeitkonstante aufgrund der Gleichung a=(2/T)/(w+2/T)und der zweiten Filterzeitkonstanten aufgrund der Gleichungc=(-w+2/T)/(w+2/T)geschieht.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Bestimmen eines Wertes das Bestimmen des Wertes aufgrund der Gleichung Fehler[0]=a · (Abtast-Eingangssignal[0] -
Abtast-Eingangssignal[1]+c · Fehler[-1]umfaßt, wobei Fehler[0] ein momentanes und Fehler[-1] ein vorhergehendes Fehlersignal bezeichnet.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Filtern des Signals das Filtern des Signals aufgrund der Gleichung End-Ausgang=Abtast-Eingangssignal[0]+K · Fehler[0]umfaßt, wobei K einen Verstärkungsfaktor darstellt.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Errichten einer oder mehrerer Filterzeitkonstanten das Errichten einer oder mehrerer Filterzeitkonstanten erster Ordnung (a, c) und einer oder mehrerer Filterzeitkonstanten zweiter Ordnung (a2, c2) umfaßt, daß das Bestimmen des Wertes das Bestimmen des Wertes erster und zweiter Ordnung aus den Filterzeitkonstanten erster bzw. zweiter Ordnung umfaßt und daß das Filtern des Signals das Filtern des Signals aufgrund der Fehlersignale erster und zweiter Ordnung umfaßt.