DE69024075T2

DE69024075T2 - Einrichtung und Verfahren zur Steuerung von Schwingungen bei einem Automobilfahrzeug

Info

Publication number: DE69024075T2
Application number: DE69024075T
Authority: DE
Inventors: Yuzo Kadomukai; Ryoichi Maeda; Makoto Yamakado
Original assignee: Hitachi Ltd; Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1989-02-27
Filing date: 1990-02-23
Publication date: 1996-05-02
Anticipated expiration: 2010-02-24
Also published as: JP2996468B2; EP0385311A3; JPH02223648A; EP0385311A2; DE69024075D1; US4982707A; EP0385311B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Kraftfahrzeugmotoren und insbesondere eine Anordnung sowie ein Verfahren zur Verringerung der durch plötzliche Schwankungen des Motorabtriebsdrehmoments verursachen Vibrationen, wie sie in den Oberbegriffsabschnitten der Ansprüche 1 und 7 aufgeführt sind.
Bei früher vorgeschlagenen Motorausgangsdrehmoment-Steueranordnungen wurden die Drehmomentschwankungen an der Kurbelwelle gemessen, und in Reaktion darauf der Betrag des Stroms, der durch eine Feldspule eines zu dem Motor gehörenden Wechselstromgenerators fließt, so geändert, daß das Umkehrdrehmoment, das auf die Motorkurbelwelle ausgeübt wird, variiert wird, um die vibrationserzeugende Wirkung der Ausgangsdrehmomentschwankungen zu verringern.
Bei dieser Art Anordnung bezieht sich der Betrag des Stroms, der durch die Feldspule fließt, auf den Pegel der Spannung, die erzeugt wird. Jedoch ist es bei dieser Anordnung, da die Änderung der Induktivitätskomponente des Wechselstromgeneratorfelds nach einer endlichen Verzögerung auftritt, sehr schwierig gewesen, die geeignete Spannung festzulegen und die Drehmomentschwankungen angemessen zu steuern.
Bei einem weiteren Vorschlag, der in JP-A-61-200 333 offenbart wurde, ist eine Generator/Motor-Anordnung eingesetzt worden, die direkt mit der Motorkurbelwelle verbunden ist. Bei dieser Anordnung ist die Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle gemessen worden, und der von der Batterie zugeführte Gleichstrom (direct current - DC) ist in einen Mehrphasen-Wechselstrom (alternating current - AC) umgewandelt und der Ankerspule der Generator/Motor-Vorrichtung zugeführt worden. In der Ankerspule wird der Wechselstrom in Gleichstrom umgewandelt und genutzt, um die Batterie zu laden. Wenn bei diesem Vorgang gemessen wird, daß die Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle unter einem vorgegebenen Bezugswert liegt, eilt die Phase des Mehrphasenstroms, der der Ankerspule zugeführt wird, entsprechend dem Betrag der Differenz zwischen der anfänglichen Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle und dem oben genannten Bezugsweg vor. Wenn sich hingegen herausstellt, daß die Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle größer ist als der Bezugswert, wird die Zufuhr von Mehrphasenwechselstrom zu der Ankerspule durch eine Absperrvorrichtung gesteuert.
Mit dieser Anordnung können zwar plötzliche starke Umkehrungen des Drehmoments gesteuert werden, ihre Wirksamkeit ist jedoch auf Situationen beschränkt, in denen vorübergehende Zunahmen des Drehmoments auftreten. Dementsprechend ist bei einer Fehl zündung, bei der es zu einer vorübergehenden Verringerung des Drehmoments kommt, angemessene Steuerung der Schwankungen nicht zu erwarten, und daher werden Vibrationen, die eine bestimmte Frequenz enthalten, die einen störenden Einfluß auf die Fahrzeuginsassen hat, auf das Fahrzeugchassis übertragen.
Aus JP-A-63-70136 ist ein System bekannt, das den Verbrennungszustand des Motors genau erfassen kann.
JP-A-61 256 042 stellt eine Anordnung dar, bei der ein Elektromotor mit einer Kurbelwelle eines Motors verbunden ist, um ein Drehmoment in einer Richtung zu erzeugen, in der eine unerwünschte Motorvibration verringert wird.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine einfache und wirkungsvolle Anordnung sowie ein Verfahren zu schaffen, mit denen Fehlzündung erfaßt und dem Effekt entgegengewirkt werden kann, der von der durch fehlerhafte Verbrennung erzeugten Vibration bewirkt wird.
Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen von Anspruch 1 und ein Verfahren, das die in Anspruch 7 aufgeführten Schritte umfaßt, gelöst.
Die vorliegende Erfindung, ihre Vorteile und Einzelheiten werden aus der Beschreibung der bevorzugten Ausführung, die unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben wird, deutlicher, wobei:
Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild ist, das den grundlegenden Aufbau einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt;
Figuren 2 und 3 Diagramme sind, die zwei Beispiele von Motorausgangsdrehmoment-Kennlinien in bezug auf das Motordrehmoment und die Zeit zeigen;
Fig. 4 ein Ablaufdiagramm ist, das einen Steuerimpuls zeigt, der gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt wird;
Fig. 5 ein Diagramm ist, das ein Beispiel der Funktion der vorliegenden Erfindung in bezug auf das Motorausgangsdrehmoment und die Zeit zeigt;
Figuren 6 - 9 Beispiele verschiedener Vibrationswellenformen sind;
Fig. 10 ein schematisches Blockschaltbild ist, das den Grundaufbau einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt; und
Fig. 11 ein Modell ist, das eine Anordnung zeigt, bei der ein Motor an einem Fahrzeugchassis angebracht ist.
Fig. 1 zeigt eine erste Ausführung der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Anordnung trägt ein Motorblock 1 einen Wechselstromgenerator 2. Eine Antriebsverbindung zwischen einer Kurbelwellenriemenscheibe 3 und einer Wechselstromgeneratorlinienscheibe 4 wird mittels eines geeigneten Riemens 5 hergestellt.
Ein Kurbelwinkelsensor 6 mißt die Dreheigenschaften der Motorkurbelwelle. Der Wechselstromgenerator 2 enthält drei drehbare Ankerspulen L1 bis L3 und eine Feldspule L4. Die Feldspule L4 ist mit einer Batterie 7 verbunden.
Eine Steuereinheit 10 ist funktionell mit Schaltern 14-16 verbunden, die ihrerseits wahlweise Ausgangsanschlüsse 11-13 der oben erwähnten Ankerspulen L1-L3 mit einem Dreiphasen-Inverter 20 verbinden. Die Steuereinheit 10 ist des weiteren über Signalleitungen 18 bzw. 19 mit der Batterie 7 und Kurbelwinkelsensor 6 verbunden.
Ein Dreiphasen-Gleichrichter 21, ein Akkumulator 22 und ein Aufwärtsverstärker 23 sind auf die dargestellte Weise geschaltet.
Eine Signalleitung 17 stellt eine funktionelle Verbindung zwischen der Steuereinheit 10 und den Schaltern 14-16 her; eine Signalleitung 25 verbindet den Dreiphasen-Inverter 20 mit der Steuereinheit 10; und eine Signalleitung 26 stellt eine Verbindung zwischen der Steuereinheit 10 und Akkumulator 22 her.
Ein Schalter 28 ermöglicht eine wahlweise Verbindung zwischen dem Dreiphasen-Gleichrichter 21 und dem Akkumulator 22. Ein Schalter 29 stellt eine wahlweise Verbindung zwischen dem Dreiphasen-Inverter 20 und dem Aufwärtsverstärker 23 her. Die Schalter 28, 29 sind über Signalleitung 27 funktionell mit der Steuereinheit 10 verbunden.
Ein Verbrennungsdrucksensor 31 ist funktionell an der Brennkammer 30 des Motors angeordnet und gibt über Leitung 32 ein Signal an die Steuereinheit 10 ab.
Es ist anzumerken, daß bei einem Mehrzylindermotor jeder Zylinder mit einem Verbrennungsdrucksensor versehen ist, um die Erfassung jeglicher unnormaler Verbrennung und die Einleitung einer zeitweisen Verringerung des Motorausgangsdrehmoments in einer vorgegebenen kurzen Zeit nach dieser Erfassung zu ermöglichen.
Der Drucksensor 31 kann beispielsweise die Form eines piezoelektrischen Elements haben, das zwischen dem Zylinderkopf und einer Zündkerze eingeschlossen ist und somit Veränderungen der Belastung unterliegt, die sich mit dem Druck ändern, der in der Brennkammer 30 entsteht.
Die grundlegende Funktion der oben beschriebenen Anordnung besteht darin, daß, wenn der Motor ordnungsgemäß läuft, der Riemen 5 Drehenergie von der Motorkurbelwellenriemenscheibe 3 auf die Wechselstromgeneratorriemenscheibe 4 überträgt, und die elektrische Energie, die durch den Wechselstromgenerator 2 erzeugt wird und eine vorgegebene Spannung hat, der Batterie 7 zugeführt wird.
Bei dem oben beschriebenen Vorgang werden die Luft-/Kraftstoff-Ladungen in der Brennkammer gezündet, und das entstehende Drehmoment auf die Motorkurbelwelle übertragen. Fig. 2 zeigt, wie Drehmoment unter diesen Umständen impulsartig erzeugt wird. Das heißt, wenn der Motor normal läuft und keine unnormale Verbrennung auftritt, kommt es zu sehr geringer Abweichung bei der Drehmomentimpulserzeugung von Zyklus zu Zyklus.
Jedoch wird, wenn eine Fehlzündung, eine teilweise Fehlzündung oder eine ähnliche unnormale Verbrennung auftritt, der Spitzendruck, der in der betreffenden Brennkammer entsteht, erheblich verringert. Beispielsweise kommt es, wie in Fig. 3 zu einer Zeit T dargestellt, zu einer Fehlzündung, und das Motordrehmoment M, das in Reaktion auf diese unnormale Verbrennung erzeugt wird, nimmt einen zu vernachlässigenden Wert an, so daß ein relativ großer Zwischenraum zwischen Impulsspitzen entsteht.
Dies führt zu Vibration mit einer Frequenz, die nahe an der Eigenfrequenz der Anordnung, mit der der Motor an dem Chassis aufgehängt ist, oder der Chassis-Aufhängungsanordnung liegt.
Als Beispiel wird angenommen, daß, wenn, wie in Fig. 11 dargestellt, ein Vierzylindermotor leerläuft, er eine Frequenz im Bereich von 20 Hz erzeugt; die durch den Motor erzeugte vorherrschende Frequenz ist die sogenannte Sekundärvibration; die Motoraufhängungsanordnung hat in diesem Fall eine Eigenfrequenz von ungefähr 14 Hz, während das Chassis-Aufhängungssystem eine Eigenfrequenz von ungefähr 5 Hz hat.
Wenn einer der Zylinder (lediglich als Beispiel) aufgrund von Zündkerzenausfall oder dergleichen Fehlzündung aufweist, neigt die Frequenz, mit der die Fehlzündungen auftreten, dazu, ungefähr 5 Hz zu betragen. Die Vibration, die aus der Fehlzündung resultiert, weist daher eine Frequenz auf, die nahe an der Eigenfrequenz des Chassis-/Fahrzeug-Aufhängungssystems liegt. Diese Frequenz wird durch die Motoraufhängungsanordnung kaum gedämpft und somit auf das Chassis übertragen.
Das Fahrzeugaufhängungssystem weist, allgemein gesprochen, den geringsten Widerstand gegen Bewegung in der Querneigungsrichtung auf. Dementsprechend wird, bei dem oben erwähnten Fall, da die Frequenz, mit der die durch diesen "unrunden Leerlauf" erzeugten Impulse vibrieren, mit der Eigenfrequenz der Fahrzeugaufhängungsanordnung zusammenfällt, Rollen des Fahrzeugs durch selbige erzeugt.
Natürlich ist die Fehlzündung nicht auf einen oder mehrere einzelne Zylinder beschränkt, und bei einer schlechten Luft- Kraftstoff-Verhältnis-Steuerung, durch die den Zylindern des Motors zu magere Gemische zugeführt werden können, kann es zu sporadischen Fehlzündungen kommen. Jedoch besteht die Möglichkeit, daß die durch diese Fehlzündung hervorgerufenen Vibrationen eine Frequenz im Bereich von 5-7 Hz aufweisen, der nahe an einer der Eigenfrequenzen des Motors und/oder der Fahrzeugaufhängungsanordnungen liegt, und daß selbige ein in gewissem Maße verstärktes unvorteilhaftes Ergebnis erzeugt.
Bei der vorliegenden Ausführung spricht die Steuereinheit 10 in Reaktion auf den Ausgang des Drucksensors 31, der die Fehlzündung anzeigt, und das Signal vom Kurbelwinkelsensor 6 an, indem der Grad der Verbrennungsabweichung bestimmt wird, und der Betrag des Stroms, der der Feldspule L4 von der Batterie 7 über Leitung 18 zugeführt wird, vorübergehend erhöht wird.
Die Zeitsteuerung dieser Erhöhung des Stromflusses läuft, wie in Fig. 4 dargestellt, so ab, daß sie so induziert wird, daß sie zu einer vorgegebenen Zeit T1 nach Zeit T auftritt. Die Zeit T1 wird so ausgewählt, daß sie mit einer halben Periode der Eigenfrequenz des Motoraufhängungssystems zusammenfällt. Diese erzeugt daher eine Vibration, die eine Phase aufweist, die umgekehrt zu der durch die Fehlzündung(en) erzeugten liegt. Zur Zeit T1 nach der Fehlzündung wird, wie in Fig. 5 dargestellt, ein Motordrehmoment S mit einer Phase erzeugt, die im wesentlichen umgekehrt zu der durch die Fehlzündung erzeugten ist. Das Drehmoment S hebt die Vibration auf, die auf das Fahrzeugchassis übertragen wird und zu erwähntem Rollen führt.
Die oben beschriebene Steuerung wird nur beim Leerlauf des Motors eingesetzt, und wird nicht ausgeführt, wenn der Motor läuft (d.h. beschleunigt, abgebremst wird, mit Reisegeschwindigkeit läuft oder dergleichen).
Bei der vorliegenden Ausführung wird die Energie, die durch die Drehung der Ankerspulen L1, L2 und L3 erzeugt wird, in dem in Fig. 1 dargestellten Zustand dem Akkumulator 22 von dem Dreiphasen-Gleichrichter 21 zeitweilig über den Schalter 28 zugeführt. Danach werden die Schalter 14, 15, 16 und 29 geschlossen (AN), während Schalter 28 geöffnet wird (AUS). Unter diesen Bedingungen wird die in dem Akkumulator 22 gespeicherte Energie über den Verstärker 23 dem Dreiphasen-Inverter zugeführt und zu den Ankerspulen L1, L2 und L3 zurückgeleitet.
Durch den oben beschriebenen Vorgang wird der Energieverlust auf Null verringert und die nachteilige Auswirkung auf den wirtschaftlichen Kraftstoffverbrauch des Motors vollständig aufgehoben.
Fig. 6 und 7 zeigen Versuchsdaten, mit denen zwei Beispiele von Vibrationserzeugung, die unter identischen Motorbetriebsbedingungen erzeugt werden, sowie die Auswirkung der vorliegenden Erfindung darauf, dargestellt werden. Der Motor ist in diesem Fall ein Vierzylindermotor.
Es ist zu sehen, daß Fig. 6 ein Beispiel zeigt, bei dem die Vibrationsbeschleunigungsamplitude P1, die durch normalen Motorbetrieb erzeugt wird, groß ist (in der oben erwähnten Querneigungsrichtung) und durch eine durch Fehlzündung bewirkte Veränderung P3 unterbrochen wird. Hingegen zeigt Fig. 7 die Situation, in der eine kleine Amplitude P2 durch eine Fehlzündung bei P4 unterbrochen wird.
Nach Zeit T1 wirkt, wie dargestellt, die Erfindung so, daß jegliche spürbare Schwankungen unterdrückt und die Auswirkung der Fehlzündungen aufgehoben wird.
Figuren 8 und 9 zeigen ähnliche Daten. Es ist zu sehen, daß es in allen oben aufgeführten Fällen zur Unterdrückung der Vibrationsauswirkung auf das Rollen des Fahrzeugs nach dem Ablauf der Zeit T1 kommt.
Es ist zu sehen, daß es mit der offenbarten Ausführung durch Vergrößerung des Betrages elektrischer Energie, die eine Motorumdrehung nach einer Fehlzündung erzeugt wird, möglich ist, eine Verringerung der Fahrzeugvibration von 5 db zu erreichen.
Eine zweite Ausführung der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 10 dargestellt. Bei dieser Anordnung ist der Wechselstromgenerator 2 über Transistor TR1 mit einer Last 35 (in diesem Fall eine Heckscheiben-Defroster-Heizdrahtanordnung) verbunden. Steuereinheit 10 spricht auf den Motorkurbelwinkel an und macht den Transistor TR1 bei einer vorgegebenen Drehwinkelverzögerung in bezug auf die Zündzeitpunkteinstellung für den Fall leitend, daß eine Fehlzündung erfaßt wird.
Die Last, die in der zweiten Ausführung eingesetzt wird, ist, wie anzumerken ist, nicht auf den oben erwähnten Defroster beschränkt und kann die Form jeder beliebigen verfügbaren Last annehmen.
Weitere Offenbarungen hinsichtlich der Art und Weise der Erfassung des Vorhandenseins bzw. Nichtvorhandenseins einer Fehlzündung können JP-A-63 070 136 entnommen werden.
Dieses Dokument offenbart ein Verfahren, mit dem der Druck in der Brennkammer abgetastet wird und ein Kurbelwinkel bestimmt wird, bei dem die Gesamtauswirkung der abgetasteten Drücke als momentan wirkend angesehen werden könnte (analog zum Schwerpunkt einer Masse). Dieses Verfahren erlaubt es, zwischen dem Motorantriebsdruck und dem durch Verbrennung induzierten Druck zu unterscheiden und ermöglicht es somit, Fehlzündung beim Leerlauf genau zu identifizieren.

Claims

1. Vibrationssteueranordnung für ein Automobilfahrzeug, das einen Motor (1) mit einer Brennkammer (30) aufweist, umfassend:

eine erste Einrichtung (31) zum Erkennen des Verbrennungsdrucks in der Brennkammer und

eine zweite Einrichtung (10) zum Erkennen einer schlechten Verbrennung in der Brennkammer durch Überwachen des erfaßten Verbrennungsdrucks, wobei eine schlechte Verbrennung von einer Fehlzündung in der Verbrennungskammer herrührt und eine Änderung des Motorausgangsdrehmomentes und daher eine Vibration des Fahrzeugs verursacht,

dadurch gekennzeichnet, daß

eine dritte Einrichtung (2, 7, 10, 18) vorhanden ist, weiche vorübergehend das Motorausgangsdrehmoment zu einem vorbestimmten Zeitpunkt (T1) reduziert, nachdem die zweite Einrichtung eine schlechte Verbrennung erkannt hat, wobei der vorbestimmte Zeitpunkt bezüglich der Phase der Fahrzeugvibration, die von der Fehlzündung verursacht wird, gewählt wird.

2. Vibrationssteueranordnung nach Anspruch 1 weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Zeitpunkt (T1) so gewählt ist, daß er mit der Hälfte des Zyklusses der natürlichen Frequenz des Fahrzeugs übeeinstimmt.

3. Virbationssteueranordnung nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Zeitpunkt der Zeitpunkt ist, zu dem der Motor (1) eine Umdrehung nach der Fehlzündung durchgeführt hat.

4. Vibrationssteueranordnung nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Einrichtung umfaßt:

einen Wechselstromgenerator (2), der von dem Motor (1) angetrieben wird; und

eine vierte Einrichtung, die den Wechselstromgenerator veranlaßt, eine größere elektrische Leistung zu dem vorbestimmten Zeitpunkt zu erzeugen.

5. Vibrationssteueranordnung nach Anspruch 4, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die vierte Einrichtung umfaßt:

eine elektrische Last; und

eine Schalteinrichtung (TR1) zum vorübergehenden Verbinden des Wechselstromgenerator (2) mit der elektrischen Last zu dem vorbestimmten Zeitpunkt in einer Art, daß die Last ansteigt, mit der der Motor beaufschlagt wird.

6. Vibrationssteueranordnung nach Anspruch 4, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die vierte Einrichtung umfaßt:

einen Kurbelwellensensor (6);

eine Steuereinheit (10), die betriebsmäßig mit dem Kurbelwellensensor verbunden ist und eine Batterie (7), die betriebsmäßig mit dem Wechselstromgenerator verbunden ist;

einen Dreiphasen-Inverter (20);

einen Dreiphasen-Gleichrichter (21), wobei der Dreiphasen- Gleichrichter und der Dreiphasen-Inverter einzeln und abwechselnd mit Ankerspuren (L1, L2, L3) des Wechselstromgenerators über eine Vielzahl von ersten Schaltern (14, 15, 16) verbindbar sind, wobei die ersten Schalter betriebsmäßig mit der Steuereinheit verbunden sind;

einen Akkumulator (22) zum Speichern elektrischer Energie; und

einen Verstärkerschaltkreis (23) zum Erhöhen der Spannung einer daran angelegten elektrischen Energie, wobei der Verstärkerschaltkreis seriell mit dem Akkumulator verbunden ist, der Akkumulator betriebsmäßig mit dem Dreiphasen- Gleichrichter über einen zweiten Schalter (28) verbunden ist, der Verstärkerschaltkreis betriebsmäßig mit dem Dreiphasen- Inverter über einen dritten Schalter (29) verbunden ist, die zweiten und dritten Schalter betriebsmäßig mit der Steuereinheit verbunden sind, um einzeln geöffnet und geschlossen zu werden.

7. Verfahren zum Negieren des von einer Schwingung herrührenden Effekts einer Fehlzündung auf die Vibration eines Fahrzeugs, umfassend die folgenden Schritte:

Erkennen des Drucks in der Brennkammer des Motors während des Motorleerlaufs;

Erfassen einer Fehlzündung in der Verbrennungskammer;

gekennzeichnet durch

vorübergehendes Erhöhen der Last der Maschine in einer Art, daß der Betrag des Drehmoments reduziert wird, welches zu einem vorbestimmten Zeitpunkt nach dem Erkennen der Fehlzündung erzeugt wurde, wobei der vorbestimmte Zeitpunkt in Übereinstimmung mit der Phase der Fahrzeugvibration gewählt wird, die von der Fehlzündung verursacht wird.