EP1540163B1 - Verfahren zur korrektur der position der winkelmarken eines inkrementrades eines drehzal- und/oder drehwinkelsensors und system hierzu - Google Patents

Description

Stand der Technik
• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Korrektur der Position der Winkelmarken eines Inkrementrades eines Drehzahl- und/oder Drehwinkelsensors eines Verbrennungsmotors und ein System hierzu.
• Zur Erfassung von Drehzahl und Winkel, insbesondere Kurbelwinkel und/oder Nockenwinkel, eines Verbrennungsmotors werden Inkrementräder eingesetzt. Ein Inkrementrad weist an seinem Umfang Marken auf, die idealerweise mit äquidistantem Winkelabstand angebracht sind. Das Inkrementrad wird von einem Sensorelement abgetastet. Eine nachgeschaltete Flankenauswertung detektiert die Position der Marken aus dem Sensorsignal.
• Der tatsächliche Kurbelwinkel wird durch die Marken des Inkrementrades jedoch nur ungenau erfasst. Unter anderem verfälschen die Toleranzen von Inkrementrad (reale, nicht äquidistante Geberradmarken), Sensor und Flankenauswertung den so erfassten Winkel.
• In der US 5,611,311 A wird der obere Totpunkt (TDC) durch eine Vorzeichenwechsel des Gradienten des Brennraumdrucks erfasst. Dadurch wird die Kurbelwellenlage relativ zum TDC erkannt.
• Es sind Verfahren zur Adaption der Toleranzen von Geberrad und Winkelerfassung bekannt (DE 42 16 058 A1).
• Da durch Kompression und Expansion der angesaugten Luft in den Zylindern auch im Schleppbetrieb eine ungleichförmige Drehbewegung des Motors entsteht, benötigen die bekannten Adaptionsalgorithmen Modelle, die diese Drehunförmigkeit des Motors beschreiben. Nach Abtrennung dieser Signalanteile vom gemessenen Winkelsignal bleiben die durch die Toleranzen des Geberrads bzw. der Winkelerfassung verursachten Signalanteile übrig.
• Durch Auswertung der verbleibenden Signalanteile, z.B. nach der DE 42 16 058 A1, können nichtäquidistante Winkelmarken erkannt und anschließend zur Kompensation der Winkelfehler benutzt werden. Da die Modelle der Drehunförmigkeit des Motors nur bedingt genau sind, ist die beschriebene Trennung der Signalanteile jedoch nur näherungsweise möglich. Hierdurch verbleibt ein Restfehler für die Position der Winkelmarken.
• Weiterhin sind Verfahren bekannt, um mit Hilfe von Brennraumdruck-Sensoren einzelne Parameter des Verbrennungsprozesses in einem Verbrennungsmotor zu erfassen bzw. zu regeln.
• Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren zur Korrektur der Position der Winkelmarken eines Inkrementrades eines Drehzahl- und/oder Drehwinkelsensors eines Verbrennungsmotors und ein System hierfür bereitzustellen, das eine Adaption der Signale des Inkrementrades auf einfache und dennoch sehr genaue Art und Weise ermöglicht.
Die Erfindung und ihre Vorteile
• Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 13.
• Die Erfindung hat den Vorteil, dass unter Ausnutzung der Information des Brennraum-Drucksignals die Inkrementfehler eines zur Erfassung von Drehzahl bzw. Wellenwinkel benutzten Messsystems ermittelt und kompensiert werden. Damit ist eine präzisere Steuerung des Verbrennungsmotors möglich. Insbesondere kann mit einem genaueren Winkelsignal die in einen Verbrennungsmotor einzuspritzende Kraftstoffmenge bei nockengesteuerten Systemen mit geringerer Toleranz zugemessen werden.
• Eine genaue Erfassung von Wellenwinkel und Drehzahl eines Verbrennungsmotors wird ermöglicht, indem die Position der Winkelmarken des Inkrementrades und des nichtäquidistanten Anteils der Abstände der Winkelmarken genau bestimmt wird. Die nichtäquidistanten Abstände der Winkelmarken können somit für die Berechnung des Wellenwinkels und der Wellendrehzahl berücksichtigt werden. Die Winkelkorrektur wird in speziellen Betriebssituationen des Verbrennungsmotors aus dem Brennraum-Drucksignal ermittelt.
• Als besonders geeignet für die Ermittlung der Winkelmarkenkorrektur aus dem Zylinderdruckverlauf erweisen sich die Kompressions- und Expansionsphasen der Zylinder im Schleppbetrieb. In diesen Phasen weist die Ableitung des Brennraum-Drucksignals nach dem Kurbelwinkel sehr hohe Werte auf.
• Wird die Zylinderdruckmessung durch die Winkelmarken getriggert, so führen Fehler in der Position der Winkelmarken zu vom fehlerfreien Fall abweichenden Zylinderdrücken. Diese Abweichungen können erkannt und zur Kalibrierung der Winkelmarken genutzt werden. Deswegen kann der Winkel beispielsweise der Kurbelwelle mit der beschriebenen Erfindung präziser ermittelt werden als mit bekannten Adaptionsverfahren.
• Modelle für die Drehunförmigkeit des Verbrennungsmotors, wie sie aus dem bekannten Stand der Technik bekannt sind, werden nicht benötigt.
• Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Zeichnung
• Die Erfindung wird anhand den in den Zeichnungen dargestellten Figuren und dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel näher beschrieben.

Figur 1:

zeigt den Zylinderdruck verschiedener Zylinder eines Verbrennungsmotors, der über dem Kurbelwellen-Winkel aufgetragen ist; und

Figur 2:

zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems.

• Gemäß Fig. 1 wird abhängig von der Anzahl Z der Zylinder des Verbrennungsmotors das Arbeitsspiel bzw. der Kurbelwellen-Winkel in Z verschiedene Segmente so eingeteilt, dass in jedem Segment ein Zylinder existiert, dessen Ein- und Auslassventile geschlossen sind. Dieser Zylinder befindet sich momentan in einer Kompressions- bzw. Expansionsphase und wird für dieses Segment für die Auswertung des Zylinderdrucks zur Winkelmarkenpositionserfassung ausgewählt.
• Im folgenden wird beschrieben, wie erfindungsgemäß für jedes Segment die Position der Winkelmarken anhand des Zylinderdruckverlaufs korrigiert werden kann.
  Der Kurbelwinkel des Verbrennungsmotors wird mit Hilfe eines mit der Kurbelwelle verbundenen Inkrementrades 1 erfasst. Dieses Inkrementrad 1 weist an seinem Umfang M Marken auf, die mit idealerweise äquidistantem Winkelabstand ϕ_inkr,ideal angebracht sind. (Bei Inkrementrädern mit fehlenden, eine Referenzlücke bildenden Marken entspricht M der Anzahl der vollständigen Marken). Ein Sensorelement 2 tastet das Inkrementrad ab. Eine Einheit Flankenauswertung 3 detektiert die Position der Marken aus dem Sensorsignal. Ein Inkrementzähler 4 zählt die Anzahl k der im aktuellen Segment detektierten Marken. Pro Segment sind vorzugsweise 2M/Z Marken vorhanden.
• Ausgehend von einem Referenzpunkt vor der ersten Winkelmarke ergibt sich der Kurbelwinkel ϕ_KW,nom(k) für die Winkelmarke k im fehlerfreien Fall aus dem Inkrementzähler durch die Beziehung $${\mathit{\varphi }}_{\mathit{WK}\mathit{,}\mathit{nom}}\left(\mathit{k}\right)\mathit{=}\mathit{k}\mathit{\cdot }{\mathit{\Delta }}_{\mathit{\varphi inkr}\mathit{,}\mathit{ideal}}\mathrm{.}$$

  
• Bedingt durch Toleranzen von Inkrementrad 1, Sensorelement 2 und Flankenauswertung 3 ist der Winkel zwischen einzelnen Marken jedoch fehlerbehaftet und es ergibt sich für jede Marke k ein anderer Winkel Δ_ϕinkr,real(k). $${\mathit{\varphi }}_{\mathit{KX}\mathit{,}\mathit{real}}\left(\mathit{k}\right)\mathit{=}{\displaystyle \mathit{\sum }_{\mathit{i}\mathit{=}\mathrm{1}}^{\mathit{k}}}\mathit{\Delta }{\mathit{\varphi }}_{\mathit{inkr}\mathit{,}\mathit{real}}\left(\mathit{i}\right)\mathit{\ne }\mathit{k}\mathit{\cdot }\mathit{\Delta }{\mathit{\varphi }}_{\mathit{inkr}\mathit{,}\mathit{real}}$$

  
• Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird getriggert durch die Detektion der Winkelmarken für jeden Zylinder (5a - 5b) des Verbrennungsmotors der Brennraumdruck p_zyl(1), p_zyl(2), ... p_zyl(2M/Z) mittels Drucksensoren (6a - 6b) erfasst. Ein Zylinderzähler 7 wählt mit Hilfe einer Signalauswahl-Einheit 8 daraus das Drucksignal des für dieses Segment bestimmten Zylinders aus. Die gemessenen Druckwerte werden in einer Messwert-Tabelle 11 gespeichert und stehen nach Abschluss der Messung bei der letzten Winkelmarke des Segmentes für eine Auswertung zur Verfügung.
• Eine Betriebspunkterkennung 10 überwacht den Betriebszustand des Motors und startet die Auswertung, wenn der Motor sich in einem vordefinierten Betriebszustand befindet. Die Geberradadaption anhand des Zylinderdrucks wird vorzugsweise im Schleppbetrieb durchgeführt, sobald sich für die festgelegte Drehzahl stabile Betriebsbedingungen einstellen. Für diese Betriebsbedingungen ist in der Motorsteuerung eine Referenz-Tabelle 9 vorhanden, in der die sich an den idealen Winkelmarkenpositionen ϕ_KW,nom (k) ergebenden Zylinderdrücke abgelegt sind. Diese kann beispielsweise zuvor an einem Prüfstand für ein Exemplar dieses Motortyps ermittelt werden. Bild 1 zeigt in jedem Segment einen beispielhaften Zylinderdruckverlauf, wie er in der Referenz -Tabelle gespeichert sein kann.
• Da der Zylinderdruck sehr empfindlich auf kleine Veränderungen der Betriebsbedingungen reagiert (Ladedruck, Ladelufttemperatur) und zudem reale Zylinderdrucksensoren Offset- und Verstärkungsfaktorfehler aufweisen, ist ein direkter Vergleich der gemessenen und als Referenz tabellierten Zylinderdruckwerte nur bedingt möglich. Deshalb werden vorteilhafterweise zunächst in einer Signalaufbereitung 12 ein möglicher Verstärkungsfaktor a und ein Offsetfaktor b geschätzt und das gemessene Drucksignal entsprechend korrigiert. Dies kann z.B. mit Hilfe eines Least Square Schätzverfahrens geschehen. Die Faktoren a und b werden dabei so bestimmt, dass $${\displaystyle \mathit{\sum }_{\mathit{i}\mathit{=}\mathit{1}}^{\mathit{2}\mathit{M}\mathit{/}\mathit{Z}}}{\left[{\mathit{p}}_{\mathit{zyl}\mathit{,}\mathit{Tabelle}}\left(\mathit{i}\right)\mathit{-}\left(\mathit{a}\mathit{\cdot }{\mathit{p}}_{\mathit{zyl}\mathit{,}\mathit{Messung}}\left(\mathit{i}\right)\mathit{+}\mathit{b}\right)\right]}^{\mathrm{2}}\mathit{\to }\mathit{Min}$$

  

  
  minimal wird. Alternativ zu einer Tabelle kann auch eine Funktion verwendet werden und die Parameter der Funktion entsprechend geschätzt werden.
• Um das hier vorgestellte Verfahren auch bei gestörten Zylinderdrucksignalen anwenden zu können ist es als Erweiterung der Erfindung auch möglich die Zylinderdruckwerte zunächst über mehrere Arbeitsspiele zu speichern und die gemessenen Werte für die einzelnen Winkelmarken zu mitteln. Hiermit können zusätzlich stochastische, mittelwertfreie Fehler auf den Signalen kompensiert werden.
• Durch einen Vergleich der so vorverarbeiteten, gemessenen Zylinderdruckwerten a·p_zyl,Messung (k)+b mit den tabellierten Werten können in einer Auswerteeinheit 13 Abweichungen festgestellt und diese erfindungsgemäß auf eine fehlerbehaftete Position der Winkelmarken zurückgeführt werden. Der zum Druckwert a·p_{zyl,Messung(k)}+b gehörende Winkel _ϕKW,korr(k) kann z.B. aus einer linearen Interpolation zwischen den tabellierten Zylinderdruckwerten errechnet werden. Für den Positionsfehler ergibt sich Δϕ_KW,korr = ϕ_KW,korr (k) - ϕ_KW,nom(k). Dieser wird in einer Winkelkorrekturtabelle 14 gespeichert, auf die alle anderen Funktionen im normalen Motorbetrieb zugreifen können. Eine Adaption bzw. Korrektur der Position der Winkelmarken kann vorgenommen und der tatsächliche Kurbelwinkel kann präzise ermittelt werden. Damit ist eine präzisere Steuerung des Verbrennungsmotors möglich.
• Da die Signalamplitude z.B. eines induktiven Inkrementgebers sehr stark von der Geschwindigkeit zwischen Sensor und Winkelmarke und somit von der Motordrehzahl abhängig ist, können sich auch in der für die Winkelmarkenerkennung benötigten Flankendetektion drehzahlabhängige Fehler ergeben. Diese Drehzahlabhängigkeit kann kompensiert werden, wenn die Kalibrierung der Winkelmarkenabstände aus dem Zylinderdrucksignal bei unterschiedlichen Drehzahlen durchgeführt und in der Winkelkorrektur-Tabelle drehzahlabhängig abgelegt wird.
• Da ein Arbeitsspiel aus zwei Kurbelwellenumdrehungen besteht überdecken sich bei Motoren mit gerader Zylinderanzahl Z die Kurbelwinkelbereiche für Zylinder i und i+Z/2. Es genügt die Auswertung des Drucksignals der Zylinder i=1..Z/2 bzw. die Ergebnisse können mit den Ergebnissen der Zylinder i=Z/2+1..Z plausibilisiert werden.
• Bei Motoren mit ungerader Zylinderanzahl können die Segmente kleiner gewählt werden, so dass sie die Bereiche mit den größten Gradientenänderungen des Drucks beinhalten.
• Prinzipbedingt können Positionsfehler der Winkelmarken direkt um den OT nur schwer erkannt werden, da dort der Gradient dp_zyl/d_α mit dem Kurbelwinkel α sehr kleine Werte aufweist.
• Die Wirksamkeit des Verfahrens in Bezug auf genauere Zumessung der Kraftstoffmenge kann nachgewiesen werden, indem die Zumessgenauigkeit beim UIS-System (winkelzumessendes System) ohne und mit aktiver Winkelkorrektur durch das in der Erfindung beschriebene Verfahren vergleichen wird.
• Die Wirksamkeit des Verfahrens kann ferner nachgewiesen werden, indem der Verlauf der Inkrementzeiten ohne und mit aktiver Winkelkorrektur mit dem in der Erfindung beschriebenen Verfahren wird. Mit aktiver Winkelkorrektur stellt sich ein deutlich glatterer Verlauf der Inkrementzeiten ein als ohne Winkelkorrektur.

Claims (14)

1. Verfahren zur Korrektur der Position der Winkelmarken (k) eines Inkrementrades (2) eines Drehzahl- und/oder Drehwinkelsensors (1,2,3,4) eines Verbrennungsmotors, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

   a) Erfassen der Winkelmarken (k) mit dem Drehzahl- und/oder Drehwinkelsensor (1,2,3,4),

   b) Messen des Brennraumdrucks (p_zyl(1), p_zyl(2), ... p_zyl(2M/Z)) im jeweiligen Zylinder (5a, 5b) des Verbrennungsmotors,

   c) Zuordnen eines gemessenen Druckwertes (p_zyl(1), p_zyl(2), ... p_zyl(2M/Z)) zu den erfassten Winkelmarkpositionen (ϕ_inkr,real(k)),

   d) Speichern von mehreren der erfassten Winkelmarkpositionen (ϕ_inkr,real(k)) mit den zugehörigen, gemessenen Druckwerten (p_zyl(1), p_zyl(2), ... p_zyl(2M/Z)) in einer Messwert-Tabelle (11),

   e) Ablegen von sich an den idealen Winkelmarkenpositionen (ϕ_inkr,ideal(k)) ergebenden Idealdruckwerten (p_zyl,ideal(1), p_zyl,ideal (2), ... p_{zyl, ideal} (2M/Z)) in einer Referenz-Tabelle (9),

   f) Vergleich der gemessenen Druckwerten (p_zyl(1), p_zyl(2), ... p_zyl(2M/Z)) mit den Idealdruckwerten (p_zyl,ideal(1), p_zyl,ideal (2), ... p_zyl,ideal (2M/Z)),

   g) Feststellen von Abweichungen (Δϕ_KW,Korr(k)) der gemessenen Winkelmarkenpositionen (ϕ_inkr,real(k)) zu den idealen Winkelmarkenpositionen (ϕ_inkr,ideal(k)) bei übereinstimmenden Zylinderdruckwerten (p_zyl(1) = p_zyl,ideal(1), p_zyl(2) = p_zyl,ideal (2), p_zyl(2M/Z) = p_zyl,ideal (2M/Z)) in einer Auswerteeinheit (13),

   h) Korrigieren der gemessenen Winkelmarkenpositionen (ϕ_inkr,real(k)) um die festgestellten Abweichungen (Δϕ_KW,Korr).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessenen Druckwerte (p_zyl(1), p_zyl(2), ... p_zyl(2M/Z)) in einer Signalaufbereitung (12) korrigiert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in vordefinierten Betriebszuständen des Verbrennungsmotors, insbesondere im verbrennungsfreien Schleppbetrieb, durchgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Feststellen von Abweichungen (Δ_ϕKW,Korr) der gemessenen Winkelmarkenpositionen zu der idealen Winkelmarkenpositionen im Bereich von markanten Zylinderdruckwerten erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die markanten Zylinderdruckwerte Maximalwerte in der Kompressions- und/oder Expansionsphase des jeweiligen Zylinders sind,
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Maximalwerte über die Ableitungen der Brennraum-Drucksignale über dem Wellenwinkel bestimmt werden.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrektur der gemessenen Druckwerte gemäß Schritt d) im Least Square Schätzverfahrens erfolgt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Least Square Schätzverfahren ein Verstärkungsfaktor a und ein Offsetfaktor b geschätzt wird, wobei folgende Summe $${\displaystyle \mathit{\sum }_{\mathit{i}\mathit{=}\mathit{1}}^{\mathit{2}\mathit{M}\mathit{/}\mathit{Z}}}{\left[{\mathit{p}}_{\mathit{zyl}\mathit{,}\mathit{Tabelle}}\left(\mathit{i}\right)\mathit{-}\left(\mathit{a}\mathit{\cdot }{\mathit{p}}_{\mathit{zyl}\mathit{,}\mathit{Messung}}\left(\mathit{i}\right)\mathit{+}\mathit{b}\right)\right]}^{\mathrm{2}}\mathit{\to }\mathit{Min}$$

   

   
   minimal wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderdruckwerte zunächst über mehrere Arbeitsspiele gemessen und gespeichert werden und dass diese Zylinderdruckwerte für die einzelnen Winkelmarkenpositionen gemittelt werden.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebszustandes des Verbrennungsmotors mittels einer Betriebspunkterkennung (10) überwacht wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Inkrementrad (2) verschiedene Segmente (Z) aufweist, die jeweils einem Zylinder zugeordnet sind, wobei eine Signalauswerte-Einheit (13) aus den gemessenen Markenpositionen den Segmenten einzelne Zylinder zuordnet und die Druckwerte des jeweiligen Zylinders dem entsprechenden Segment zuordenbar sind.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehzahlabhängigkeit der Erfassung der Winkelmarkenpositionen kompensiert wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierung der Winkelmarkenabstände aus dem Zylinderdrucksignal bei unterschiedlichen Drehzahlen durchgeführt und in der Winkelkorrektur-Tabelle drehzahlabhängig abgelegt wird.
14. System zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das umfasst:

    - Drehzahl- und/oder Drehwinkelsensors, mit einem der Drehbewegung einer Welle folgenden Inkrementalrad (1) mit Winkelmarken (K) und wenigstens einem Sensorelement (2),

    - Messsensoren (6a, 6b), die die Druckwerte der Brennraumdrücke in den einzelnen Zylindern (5a, 5b) des Verbrennungsmotors messen,

    - ein Steuergerät mit einer Signalauswertung (8), mit einer Messwert-Tabelle (11), einer Referenz-Tabelle (9), mit ggf. einer Signalaufbereitung (12), mit einer Auswerteeinheit (13) und mit einer Winkelkorrekturtabelle (14).

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