DE4408243B4

DE4408243B4 - Einrichtung zur Erfassung einer pulsierenden Größe

Info

Publication number: DE4408243B4
Application number: DE19944408243
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl.-Ing. Denz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1994-03-11
Filing date: 1994-03-11
Publication date: 2007-06-21
Anticipated expiration: 2014-03-12
Also published as: DE4408243A1

Abstract

Einrichtung zur Erfassung einer pulsierenden Größe, insbesondere bei einer Brennkraftmaschine, mit einem Sensor, der ein Meßelement, Mittel zur Signalaufbereitung, Mittel zur Kennlinienanpassung und -begrenzung umfasst, mit einer Auswerteschaltung und Filtermitteln, wobei die Filtermittel (19) dem Sensor zugeordnet sind und das vom Meßelement gelieferte, aufbereitete Signal filtern, bevor es den Mitteln zur Kennlinienanpassung und -berenzung zugeführt wird und das Meßelement (11), die Mittel zur Signalaufbereitung (12), die Filtermittel (19) und die Mittel zur Kennlinienanpassung und -begrenzung zu einer Einheit zusammengefasst werden und den Sensor bilden.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung zur Erfassung einer pulsierenden Größe nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Bei der Erfassung von pulsierenden Größen, beispielsweise dem Unterdruck im Ansaugrohr einer Brennkraftmaschine, der eine im Arbeitstakt der Brennkraftmaschine pulsierende Größe ist, werden an die verwendeten Aufnehmer bzw. die nachfolgende Signalaufbereitungsschaltung gewisse Anforderungen gestellt. So ist es erforderlich, daß der Druckaufnehmer eine Kennlinie hat, die den vollen Pulsationshub abdeckt, damit die Maximalwerte bei einer erforderlichen Signalbegrenzung nicht abgeschnitten werden. Da außerdem dem erhaltenen Signal Störungen überlagert sein können und eine zuverlässige Auswertung bzw. Mittelwertbildung nur dann möglich ist, wenn das auszuwertende Signal einigermaßen periodisch und beispielsweise sinusförmig ist, werden zusätzlich entweder pneumatische oder elektronische Filter eingesetzt, wobei ein solches pneumatisches Filter optimal an die Saugrohrgeometrie angepaßt werden muß, was zu einem besonderen Aufwand führt.

Eine Einrichtung zur Erfassung einer pulsierenden Größe bei einer Brennkraftmaschine, die die Verwendung eines pneumatischen Filters, das dem Saugrohr zugeordnet ist, vorschlägt, ist aus der EP 0 397 784 B1 bekannt. Neben der Verwendung eines pneumatischen Filters wird in der genannten Druckschrift auch vorgeschlagen, ein elektronisches Filter zur Signalaufbereitung zu verwenden, wobei weiterhin vorgeschlagen wird, dieses elektronische Filter dem Sensor nachzuschalten, es wird jedoch nicht näher ausgeführt an welcher Stelle bezogen auf den Signalfluß das elekronische Filter eingesetzt werden soll.

Die EP 0 397 748 B1 zeigt weiterhin einen Heißfilm-Luftmassenmesser mit einer sensorinternen Filterung bzw. Dämpfung. Durch diese Filterung bzw. Dämpfung wird die zu messende Größe, also die angesaugte Luftmasse, gefiltert bzw. gedämpft. Danach wird die zu messende Größe in einer nachgelagerten Abtast- und Linearisierungseinrichtung weiterverarbeitet.

In der US 4,412,520 wird die Verarbeitung eines Drucksensorsignals beschrieben. Hier ist ein Tiefpassfilter beschrieben, das dem Sensor nachgelagert ist. Nach dem Tiefpassfilter findet die A/D-Wandlung statt.

Die DE 42 01 567 A1 zeigt die Verarbeitung eines Klopfsensorsignals mittels eines Verstärkers, eines Bandpassfilters, eines Gleichrichters, eines Integrators und eines A/D-Wandlers.

Die DE 33 08 541 A1 zeigt die Verarbeitung eines Klopfsensorsignals mittels eines Regelverstärkers, eines Bandpassfilters, einer Demodulatorschaltung, eines Integrators und eines A/D-Wandlers.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Einrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß die Filterung und somit Dämpfung des Signales bereits vor der erforderlichen Signalbegrenzung erfolgt; so daß keine Vergrößerung des Kennlinienhubes erforderlich ist, es wird daher die Auflösung; die erzielt werden kann, nicht durch eine Vergrößerung des Kennlinienhubes beeinträchtigt.

Erzielt werden diese Vorteile, indem anstelle eines pneumatischen Filters in der Druckanschlußleitung ein elektronisches Filter eingesetzt wird und dieses elektronische Filter nicht im Steuergerät sondern im Sensor selbst eingebaut wird und zwar an einer Stelle, die auf den Signalfluß bezogen vor der Kennlinienbegrenzung liegt. Es wird dadurch bereits bei der Filterung eine Amplitudenbedämpfung erhalten, so daß die nachfolgende Kennlinienbegrenzung auf das bereits gefilterte und daher gedämpfte Signal wirkt. Besonders vorteilhaft ist, daß die Pulsationen der pulsierenden Größe in ihrer vollen Amplitude erfaßt werden und die Filterzeitkonstante so angepaßt werden kann, daß symmetrisch die hochfrequenten Eigenschwingungen gedämpft werden.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der im Hauptanspruch angegenen Einrichtung möglich.

Zeichnung

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen dabei im einzelnen 1 eine bekannte Einrichtung zur Erfassung einer pulsierenden Größe, 2 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, 3 eine Sensorkennlinie einschließlich der vorgenommenen Signalbegrenzung und 4 einen gefilterten und einen ungefilterten Verlauf einer pulsierenden Größe über der Zeit.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 ist eine, beispielsweise aus der EP 0 397 748 B1 im Prinzip bekannte Einrichtung zur Erfassung einer pulsierenden Größe bei einer Brennkraftmaschine angegeben. Dabei ist mit 10 der Sensor, im Ausführungsbeispiel ein Drucksensor, bezeichnet. Dieser Drucksensor 10 umfaßt das Meßelement 11 sowie mit dem Meßelement 11 in Verbindung stehende Mittel zur Signalaufbereitung 12.
Das Meßelement 11 ist über einen Schlauch 23 mit dem nicht dargestellten Saugrohr einer Brennkraftmaschine verbunden und mißt den Saugrohrdruck p.
Neben dem Meßelement 11 und den Mitteln zur Signalaufbereitung 12 umfaßt der Sensor 10 noch einen Schaltungsteil zur Kennlinienanpassung und Kennlinienbegrenzung 13. Die einzelnen Bestandteile des Sensors 10 sind untereinander verbunden und führen über drei Leitungen zum Steuergerät 14 der Brennkraftmaschine, wobei über die erste Leitung 15 dem Sensor die Versorgungsspannung zugeführt wird, die im Steuergerät erzeugt wird und beispielsweise über einen Verstärker 16 weitergeleitet wird.
Zwischen der Leitung 17 und 18 liegt die Ausgangsspannung des Drucksensors 10, sie ist mit U_a bezeichnet und wird dem Steuergerät 14 über einen Tiefpaß 19, der Bestandteil des Steuergerätes ist und aus einem Widerstand 20 und einem Kondensator 21 besteht, zugeführt.
Das vom Tiefpaß kommende Signal wird in einem Analog-Digital-Wandler 22 digitalisiert und im Steuergerät 14 weiter verarbeitet. Als Versorgungsspannung für den Analog-Digital-Wandler 22 steht eine 5 V-Spannung bereit, diese dient letztendlich auch zur Versorgung des Sensors 10.
Mit der in 1 angegebenen bekannten Anordnung kann der Druck im Saugrohr einer Brennkraftmaschine ermittelt werden. Es wird dazu der Schlauch 23 so ausgestaltet, daß er als pneumatisches Filter wirkt, so daß dem Meßelement 11 ein bereits weitgehend gefilterter Druck zugeführt wird.
Das Meßelement registriert den auftretenden Druckverlauf und gibt ein entsprechendes Signal ab, das in der Signalaufbereitung in geeigneter Weise aufbereitet wird und vor der weiteren Auswertung in der Schaltung zur Kennlinienanpassung und Kennlinienbegrenzung weiterverarbeitet wird, wobei diese Schaltung so ausgelegt sein muß, daß die Maximalwerte der Pulsationen nicht abgeschnitten werden, da anderenfalls vom Steuergerät 14 ein falscher Mittelwert gebildet würde.
Im Steuergerät 14 wird mit Hilfe des elektronischen Filters 19 eine Filterung des bereits begrenzten Signales vorgenommen. Dieses gefilterte Signal wird anschließend ausgewertet.
Würde auf eine pneumatische Filterung mit Hilfe einer geeigneten Anpassung des Schlauches verzichtet, würden die Pulsationen des zu erfassenden Druckes ungefiltert zum Meßelement 11 gelangen. Diese ungefilterten Pulsationen können bis zu 150 hPa betragen. Um bei zu erwartenden maximalen Umgebungsdrücken von 1030 hPa bei Vollast den Saugrohrdruck ohne nennenswerte Fehler erfassen zu können, sogar eine Erhöhung des Kennlinienhubes auf 1150 hPa erfolgen. Durch eine solche Vergrößerung des Kennlinienhubs wird jedoch die Auflösung des Drucksignals verschlechtert, außerdem weicht die Kennlinie von den derzeit üblichen Standardwerten für Saugrohrdrucksensoren ab. Bei herkömmlichem Einbau des Drucksensors im Saugrohr bzw. bei herkömmlichen Verbindungen zwischen dem Saugrohr und dem Drucksensor haben Pulsationsamplituden der Grundschwingung, die durch die eigentlichen Saughübe der Brennkraftmaschine verursacht werden eine Frequenz von maximal 200 Hz bei einem 4-Zylindermotor, ihre Amplitude beträgt an einem gemessenen Motor maximal 50 hPa. Eine sehr viel größere Pulsationsamplitude von bis zu 150 hPa wird durch eine Eigenresonanz des Sensors und seine Anbaugeometrie verursacht. Die Frequenz dieser Pulsationen liegt beispielsweise bei 1400 Hz. Mit der Anordnung nach 1 treten daher Probleme auf, die mit Hilfe einer erfindungsgemäßen Einrichtung wie sie in 2 dargestellt ist, behoben werden können.
In 2 ist ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Einrichtung zur Erfassung einer pulsierenden Größe, beispielsweise des Saugrohrunterdruckes p dargestellt, bei dem das elektronische Filter 19 nicht mehr im Steuergerät 14 angeordnet ist sondern im Drucksensor 10. Es liegt also in diesem Fall das elektronische Filter zwischen den Mitteln zur Signalaufbereitung und der Schaltung zur Kennlinienanpassung bzw. Kennlinienbegrenzung 13. Die übrige Anordnung der Bauelemente entspricht der in 1 dargestellten Einrichtung. Gleiche Bauteile sind im übrigen mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Der wesentliche Unterschied zwischen der in 2 dargestellten Anordnung und der in 1 dargestellten bekannten Anordnung besteht darin, daß das elektronische Filter 19, das aus den Widerstand 20 und dem Kondensator 21 besteht direkt das Ausgangssignal der Signalaufbereitungsschaltung 12 beeinflußt, bevor es in der Schaltung zur Kennlinienanpassung und Kennlinienbegrenzung 13 begrenzt wird. Es kann damit ein Druckmeßelement eingesetzt werden, das einen größeren Meßbereich aufweist, der eine Druckerfassung von beispielsweise bis zu 1200 hPa ermöglicht. Dieser wird dann durch die Aufbereitungsschlaltung und die im elektronischen Filter folgende Begrenzungsschaltung auf den gewünschten Kennlinienendwert von beispielsweise 1050 hPa begrenzt. Diese Signalbegrenzung sowie der Verlauf des Ausgangssignales des Drucksensors ist in 3 dargestellt.
In 3 ist im einzelnen die Ausgangsspannung U_a über dem Absolutdruck p in einem Bereich von 0 bis 105 kPa dargestellt. Diese Kennlinie ist linear im Bereich zwischen 20 und 105 kPa, wobei gilt: U_aMIN = 0,24 V und U_aMAX = 4,8 V und wird unter 20 kPa auf 0,4 V oberhalb 105 kPa auf 4,65 V begrenzt. Die Punkte oberhalb von 105 kPa und unterhalb von 20 kPa zeigen den Signalverlauf, der ohne Begrenzhung erhalten würde.
Mit dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel lassen sich also Druckpulsationen in ihrer vollen Amplitude erfassen. Das elektronische Filter kann beispielsweise eine Zeitkonstante von τ = 2 ms aufweisen, es bedämpft dann symmetrisch insbesondere die hochfrequenten Eigenschwingungen, aber auch die Grundschwingungen der Pulsation, so daß die Pulsationsamplitude am Ausgang des Filters nur noch bei Werten von weniger als beispielsweise 50 hPa ist. Die folgende Kennlinienbegrenzung (Linie X in 4) schneidet dann bei Vollast, bei einem Saugrohrdruck von ca. 1030 hPa (Linie Y) von den auftretenden Pulsationen keinen oder nur noch einen sehr geringen Teil der positiven Halbwelle ab.
Die 4 zeigt den Signalverlauf U_s(t), außerdem ist für verschiedene Filterkonstanten dargestellt, welcher Teil der positiven Halbwelle abgeschnitten wird. Im übrigen ist in Figur 4 der Verlauf des ungefilterten (U_s1) sowie des gefilterten (U_s2) Signales über der Zeit t aufgetragen. Der den Spannungen entsprechende Druck ist mit p[hPa] bezeichnet.
Mit den in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel werden also im Gegensatz zu bisherigen Anordnungen die über 1050 hPa hinausgehenden Pulsationsanteile nicht mehr abgeschnitten. Während das Eingangsfilter im Steuergerät bei den bekannten Anordnungen eine Schwingung erzeugt, die in ihrem Mittelwert zu niedrig liegt und außerdem von der Sinusform stärker abweicht als gewünscht, läßt sich mit der Einrichtung nach 2 ein exakteres Signal bilden. Es ist dann sichergestellt, daß der im Steuergerät in üblicher Weise gebildete Mittelwert des erfaßten Lastsignales dem tatsächlichen Wert entspricht und somit eine Abmagerung des erfaßten Lasstsignales wie sie bei bekannten Einrichtungen in Vollast auftreten kann, verhindert wird.
Anstelle des in 2 dargestellten Drucksensors kann auch ein Luftmassenmesser oder ein ähnlicher Sensor eingesetzt werden, der eine pulsierende Größe erfaßt. Wesentlich ist jeweils, daß das elektronische Filter vor dem Schaltungsteil zur Kennlinienanpassung und Kennlinienbegrenzung liegt, so daß das Signal jeweils bereits vor der Begrenzhung gefiltert und damit gedämpft ist.

Claims

Einrichtung zur Erfassung einer pulsierenden Größe, insbesondere bei einer Brennkraftmaschine, mit einem Sensor, der ein Meßelement, Mittel zur Signalaufbereitung, Mittel zur Kennlinienanpassung und -begrenzung umfasst, mit einer Auswerteschaltung und Filtermitteln, wobei die Filtermittel (19) dem Sensor zugeordnet sind und das vom Meßelement gelieferte, aufbereitete Signal filtern, bevor es den Mitteln zur Kennlinienanpassung und -berenzung zugeführt wird und das Meßelement (11), die Mittel zur Signalaufbereitung (12), die Filtermittel (19) und die Mittel zur Kennlinienanpassung und -begrenzung zu einer Einheit zusammengefasst werden und den Sensor bilden.
Einrichtung zur Erfassung einer pulsierenden Größe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtermittel (19) einen durch einen Widerstand (20) und einem Kondensator (21) gebildeten Tiefpass umfassen, dessen Zeitkonstante an die zu erwartenden Pulsationen angepasst ist.
Einrichtung zur Erfassung einer pulsierenden Größe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Meßelement ein Drucksensor oder ein Luftmassenmesser ist.
Einrichtung zur Erfassung einer pulsierenden Größe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Meßelement dem Saugrohr einer Brennkraftmaschine zugeordnet ist und die dem Sensor (10) nachfolgende Auswerteschaltung das Steuergerät der Brennkraftmaschine ist.
Einrichtung zur Erfassung einer pulsierenden Größe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (14) den Mittelwert der erfassten pulsierenden Größe Saugrohrdruck oder Luftstrom im Saugrohr der Brennkraftmaschine bildet und ausgehend von diesem Mittelwert die Brennkraftmaschine regelt.
Einrichtung zur Erfassung einer pulsierenden Größe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitkonstante des elektronischen Filters (19) so gewählt wird, dass die auftretenden hochfrequenten Eigenschwingungen der zu erfassenden pulsierende Größe symmetrisch gedämpft werden und eine Zeitkonstante von einigen Millisekunden aufweist.