DE10143954C1 - Drehzahlerfassungsverfahren - Google Patents
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Abstract
Zur Bestimmung der Drehzahl einer Brennkraftmaschine (1) wird ein von der Brennkraftmaschine (1) angetriebenes Sektorenrad (4) abgetastet, ein Durchlauf eines bestimmten Segmentes des Sektorenrades erfasst und aus der Zeitdauer dieses Durchlaufs ein Drehzahlwert bestimmt, wiederholt die Dauer des Durchlaufs eines bestimmten Teilsegmentes gemessen und eine relative Änderung zwischen zwei aufeinaderfolgenden Teilsegment-Durchläufen ermittelt und damit der Drehzahlwert korrigiert.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Drehzahler
fassung einer Brennkraftmaschine, bei dem ein mit einer Kur
belwelle verbundenes Sektorenrad abgetastet wird und die
Zeitdauer eines Durchlaufs eines Segmentes bestimmter Größe
des Sektorenrades bestimmt wird, um einen Drehzahlwert zu er
mitteln.
Derartige Drehzahlerfassungsverfahren sind bei Brennkraftma
schinen üblich, wobei normalerweise ein an einer Kurbelwelle
angebrachtes Zahnrad mit 60 Zähnen abgetastet wird. Da infol
ge des Arbeitsprinzips einer Brennkraftmaschine mit ständigem
Wechsel zwischen Kompression und Expansion des Arbeitsgases
die Drehzahl nicht konstant ist, sondern von einer periodi
schen Schwingung überlagert ist, die insbesondere von unter
schiedlichen Momentenbeiträgen einzelner Zylinder einer Mehr
zylinder-Brennkraftmaschine herrühren können, wird bei der
Drehzahlerfassung üblicherweise eine zeitliche Mittelung vor
genommen. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass
mehrere Zähne des Zahnrades abgetastet werden. Je größer die
Zahl an abgetasteten Zähnen ist, desto freier ist der ermit
telte Drehzahlwert von Beeinflussungen durch die periodischen
Schwingungen. Mit der Verkürzung des abgetasteten Sektors
steigt die Fehlerbeeinflussung durch diese Schwingungen.
Aus der DE 44 10 127 A1 ist eine Drehzahlmeßvorrichtung zur
Bestimmung der Drehzahl eines rotierenden Teiles bekannt, bei
der zwei Sensoren radial in einem bestimmten Winkel zueinan
der angeordnet sind, mit Hilfe derer die Durchlaufzeitdauer
eines bestimmten Konturpunktes des Objektes gemessen wird.
Aus dieser Durchlaufzeitdauer wird dann die Drehzahl be
stimmt.
Die DE 42 15 581 A1 beschreibt ein Verfahren zur Drehzahlbe
stimmung bei einer Brennkraftmaschine, bei dem wiederholt ein
Drehzahlwert als Durchlaufdauer eines bestimmten Inkrementes
in einer definierten Lage einer Kurbel- oder Nockenwellen be
stimmt wird. Zur Korrektur dieses Drehzahlwertes wird zusätz
lich ein Drehzahlgradient ermittelt, indem eine Differenz
zweier zusätzlicher Inkrementendurchlaufmeßwerte berechnet
und zur Korrektur des letzten Drehzahlwertes verwendet wird,
wobei die zusätzlichen Inkrementendurchläufe außerhalb des
Inkrements liegen, das zur Bestimmung des Drehzahlwertes ver
wendet wird.
Da die Zeitdauer des Segment-Durchlaufes erst am Ende des
Segmentes zur Verfügung steht, ist der Drehzahlwert zwangs
läufig mit einer gewissen Totzeit behaftet. Darüber hinaus
bewirkt die Erfassung eines Segmentes des Sektorenrades eine
gewisse Mittelung, was sich auf die Dynamik des Drehzahlsig
nals negativ auswirkt.
Die Mittelung bei der Drehzahlerfassung stellt eine Tiefpass
filterung dar. Dadurch gibt der aktuell vorliegende Drehzahl
wert die tatsächliche Drehzahl der Brennkraftmaschine nicht
exakt wieder; schnelle Drehzahländerungen finden erst mit ei
ner gewissen zeitlichen Verzögerung im Drehzahlwert Nieder
schlag.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zur Drehzahlerfassung bei einer Brennkraftmaschine anzugeben,
bei dem die momentane Drehzahl der Brennkraftmaschine ohne
zeitliche Verzögerungen nahezu exakt bestimmt werden kann.
Die Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren zur Bestimmung
der Drehzahl einer Brennkraftmaschine, bei dem ein von der
Brennkraftmaschine angetriebenes Sektorenrad abgetastet wird,
ein Durchlauf eines bestimmten Segmentes des Sektorenrades
erfasst und die Zeitdauer dieses Segment-Durchlaufes gemessen
und daraus ein Drehzahlwert bestimmt wird, wiederholt ein
Durchlauf eines bestimmten Teils dieses bestimmten Segmentes
erfasst und die Zeitdauer dieses Teilsegment-Durchlaufes ge
messen wird, ein Verhältnis der Zeitdauern des Teilsegment-
Durchlaufes von zwei aufeinanderfolgenden Durchläufen des be
stimmten Teil des Segmentes ermittelt wird und das Verhältnis
verwendet wird, um den Drehzahlwert zu korrigieren.
Das erfindungsgemäße Konzept bestimmt also weiterhin einen
Drehzahlwert aus der Zeitdauer des Durchlaufes eines bestimm
ten Segmentes des Sektorenrades. Die Breite bzw. Größe des
Segmentes bedingt dabei eine Mittelung sowie eine Totzeit,
wodurch dieser Drehzahlwert noch nicht die gewünschte Aktua
lität aufweist.
Erfindungsgemäß wird deshalb zusätzlich die Zeitdauer eines
Teilsegment-Durchlaufes erfasst und ausgewertet. Aus dem Ver
hältnis der Zeitdauer von zwei aufeinanderfolgenden Teilseg
ment-Durchläufen ist eine Korrektur des Drehzahlwertes mög
lich, wodurch im Vergleich zur konventionellen Tiefpassfilte
rung oder Mittelwertbildung ein nahezu totzeitfreies Dreh
zahlsignal erhalten wird. Ein solches Signal wirkt sich auf
die dynamischen Eigenschaften verschiedener Regelkreise beim
Betrieb einer Brennkraftmaschine (z. B. Regelung der Leerlauf
drehzahl) vorteilhaft aus.
Dadurch, dass mit dem Verhältnis eine relative Änderung der
Zeitdauer des Teilsegment-Durchlaufes zwischen zwei aufeinan
derfolgenden Durchläufen des bestimmten Teilsegmentes zur
Korrektur des Drehzahlwertes verwendet wird, wird eine Infor
mation über die periodische Wiederkehr segmentspezifischer
Schwingungen bei der Bildung des Drehzahlwertes einbezogen.
Dadurch ist eines nahezu totzeitfreie Auswertung des Dreh
zahlsignals möglich.
Bei einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine leisten die einzel
nen Zylinder durch Fertigungstoleranzen bedingt in der Regel
unterschiedliche Momentenbeiträge. Dies kann zwar durch eine
entsprechende Zylinderausgleichsregelung teilweise ausgegli
chen werden, jedoch führt die Drehzahl der Brennkraftmaschine
auch dann eine periodische Schwingung aus, die durch die un
terschiedlich momentenliefernden Arbeitsspiele der einzelnen
Zylinder bedingt sind. Dabei kann man annehmen, dass eine
sich ausbildende Profilform des Drehzahlverlaufes im Ver
gleich zu einem vorangegangenen Segment unverändert bleibt.
Die Drehzahlkorrektur im erfindungsgemäßen Verfahren sollte
deshalb bei einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine vorzugswei
se zylinderindividuell ausgebildet sein, indem die Zeitdauer
für den Durchlauf verschiedener Teilsegmente bestimmt wird,
wobei jedes Teilsegment in einem Arbeitstakt eines anderen
Zylinders liegt.
Die Anzahl der verschiedenen Teilsegmente hängt von der Zy
linderzahl der Brennkraftmaschine ab. Bei einer Vierzylinder-
Brennkraftmaschine wird man vier verschiedene Teilsegmente
auswählen. Abweichungen in der erwähnten Profilform, die aus
Unterschieden zwischen den einzelnen Zylindern resultieren,
können somit durch die Erfassungen der Zeitdauern der Durch
läufe verschiedener Teilsegmente kompensiert werden.
Die Erfassung der relativen Änderung in Form des Verhältnis
ses ermöglicht es, die Totzeit bei der Drehzahlwertbestimmung
zu vermeiden. Die Verknüpfung der relativen Änderung mit dem
Drehzahlwert, um einen entsprechenden korrigierten Drehzahl
wert zu erhalten, kann dabei auf viele geeignete Arten durch
geführt werden. Beispielsweise ist es möglich, die relative
Änderung in einen additiven Korrekturfaktor umzusetzen, bei
spielsweise mittels eines Kennfeldes. Es hat sich jedoch ü
berraschenderweise herausgestellt, dass die relative Änderung
auf einfache Weise multiplikativ mit dem Drehzahlwert ver
knüpft werden kann, um die geeignete Korrektur zu bewirken.
Zur erfindungsgemäßen Korrektur wird die Änderung zwischen
zwei aufeinanderfolgenden Durchläufen eines bestimmten Teil
segmentes verwendet. Es zeigte sich jedoch weiter, dass auch
die Änderung des Drehzahlwertes selbst gewisse kurzperiodi
sche Einflüsse wiedergibt. Es ist deshalb zu bevorzugen, ein
Verfahren einzusetzen, bei dem wiederholt die Zeitdauer des
Segment-Durchlaufes erfasst und aus zwei aufeinanderfolgend
ermittelten Drehzahlwerten ein Drehzahlwert-Verhältnis gebil
det wird, dann zylinderindividuell die relative Änderung er
mittelt wird, und ein zylinderindividueller Korrekturfaktor
berechnet wird, in dem die relative Änderung durch das Dreh
zahlwert-Verhältnis dividiert wird. Dieser zylinderindividu
elle Korrekturfaktor kann nun multiplikativ mit dem Drehzahl
wert verknüpft werden.
Diese Weiterbildung berücksichtigt vorteilhafterweise den
zeitlichen Verlauf des Drehzahlwertes, wodurch eine höhere
Stabilität des Verfahrens erreicht wird. Der Korrekturfaktor
wird zylinderindividuell ermittelt, d. h. jeweils für einen
Durchlauf eines Teilsegments, das im Arbeitstakt eines ent
sprechenden Zylinders liegt.
Die Stabilität kann weiter verbessert werden, indem der zy
linderindividuelle Korrekturfaktor tiefpassgefiltert wird.
Zugleich wird dadurch eine gewisse Lernfunktion bewirkt, da
die Tiefpassfilterung auch in vorangegangenen Durchführungen
des Verfahrens ermittelte Werte der zylinderindividuellen
Korrekturfaktoren berücksichtigt.
Optional oder zusätzlich kann dies auch dadurch erreicht wer
den, indem die relative Änderung selbst tiefpassgefiltert
wird.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die
Zeichnung beispielhaft noch näher erläutert. In der Zeichnung
zeigt:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Brennkraftmaschine, deren
Drehzahl erfasst werden soll,
Fig. 2 eine Zeitreihe des Drehzahlverlaufs einer Brennkraft
maschine und
Fig. 3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Drehzahler
fassung.
In Fig. 1 ist schematisch eine Brennkraftmaschine 1 gezeigt,
deren Betrieb über nicht näher bezeichnete Leitungen von ei
nem Steuergerät 2 gesteuert wird. Dieses Steuergerät 2 ermit
telt Betriebsparameter der Brennkraftmaschine, beispielsweise
die Drehzahl N sowie die Last, und teilt der Brennkraftma
schine 1, bei der es sich im schematisch dargestellten Bei
spiel um eine Vierzylinder-Brennkraftmaschine handelt, eine
Kraftstoffmenge zu, die zur Abwicklung des Betriebs erforder
lich ist.
Die Brennkraftmaschine 1 versetzt eine Kurbelwelle 3 in Dre
hung, die ein (nicht dargestelltes) Kraftfahrzeug antreibt.
Auf der Kurbelwelle 3 sitzt ein Sektorenrad 4, das 60 Zähne
aufweist. Die Zähne des Sektorenrades 4 werden von einem In
duktiv- oder Hall-Sensor 5 abgefühlt, der seine Signale über
nicht bezeichnete Leitungen an das Steuergerät 2 leitet.
Aus den Signalen des Sensors 5 bestimmt das Steuergerät 2 die
für die Steuerung des Betriebes der Brennkraftmaschine 1 er
forderliche Information über die Drehzahl N. Dazu greift das
Steuergerät 2 in einem noch zu beschreibenden Verfahren zur
Drehzahlerfassung auf ein Korrekturmodul 6 zu, das bei der
Bestimmung der Drehzahl eine noch zu erläuternde Korrektur
ausführt. Dabei kann das Korrekturmodul 6 auch als Software
modul für einen im Steuergerät 2 befindlichen Mikroprozessor
ausgebildet sein.
Für den Betrieb der Brennkraftmaschine 1 benötigt das Steuer
gerät 2 Kenntnis der aktuellen Drehzahl N der Kurbelwelle 3.
Diese Information ist beispielsweise bei der Bestimmung der
in die Zylinder der Brennkraftmaschine 1, die im vorliegenden
Beispiel eine Dieselbrennkraftmaschine ist, einzuspritzende
Kraftstoffmasse sowie der Wahl des Einspritzzeitpunktes er
forderlich. Die Drehzahlinformation sollte deshalb für einen
optimalen Betrieb der Brennkraftmaschine zu dem Zeitpunkt, zu
dem die Einspritzung durchgeführt wird, möglichst aktuell
sein und der tatsächlichen Drehzahl N der Kurbelwelle 3 ent
sprechen.
Der Drehung der Kurbelwelle 3 sind periodische Drehzahl
schwingungen überlagert, die von unterschiedlichen Momenten
beiträgen der einzelnen Zylinder der Vierzylinder-
Brennkraftmaschine 1 herrühren.
Diese Schwankungen sind in Fig. 2 gut zu erkennen, in der die
Drehzahl N über der Zeit t als Drehzahlverlauf 7 eingetragen
ist. Weiter ist die mittlere Drehzahl 10 als dünne Linie in
den Graphen der Fig. 2 eingezeichnet.
Während eines Segmentes des Sektorenrades 4, dessen Breite in
Fig. 2 mit 8 eingezeichnet ist, schwankt ersichtlich die
Drehzahl. Dies führt dazu, dass während eines Teilsegmentes,
dessen Teilsegmentbreite in Fig. 2 mit 9 veranschaulicht ist,
eine Drehzahl N vorliegt, die nicht der mittleren Drehzahl
entspricht.
Um nun die Drehzahl genau zu bestimmen, wird die Durchlauf
zeit des Segmentes mit der Segmentbreite 8 erfasst, indem die
Zeit gemessen wird, die der Durchlauf der entsprechenden Zäh
ne des Segmentes 4 an der Gabellichtschranke 5 dauert, gemes
sen wird. Wird dabei der Durchlauf aller 60 Zähne erfasst,
stellt die ermittelte Durchlaufzeit direkt den Kehrwert der
Drehfrequenz der Kurbelwelle 3 dar. Im vorliegenden Fall wird
jedoch davon ausgegangen, dass das Segment, dessen Durchlauf
zeit bestimmt wird, 30 Zähne umfasst. Die somit gemessene
Durchlaufzeit T30_n müsste deshalb mit 2 multipliziert wer
den, bevor durch Kehrwertbildung die Drehfrequenz erhalten
werden kann. Im vorliegenden Fall wird jedoch der Einfachheit
halber als Drehzahlwert direkt der Quotient aus Anzahl der
Zähne im Segment (30 bei einer Vierzylinder-
Brennkraftmaschine) und Durchlaufzeit des Segmentes verwen
det.
Zusätzlich zu der derart erfolgenden Bestimmung eines Dreh
zahlwertes wird der Durchlauf des Teilsegments mit der Teil
segmentbreite 9 gemessen, das in Fig. 2 jeweils zwischen der
dünngestrichelten Linie 11 und der durchgezogenen Line 12
liegt. Die dabei ermittelte Zeitdauer Ta_n eines Teilsegment-
Durchlaufs wird, wie nachfolgend noch näher erläutert wird,
zur Korrektur des ermittelten Drehzahlwertes herangezogen.
Dazu wird die Zeitdauer Ta_n des Teilsegment-Durchlaufs fort
während erfasst, ebenso wie die Zeitdauer T30_n des Segment-
Durchlaufs.
Nachfolgend bezeichnet das den Bezugszeichen angefügte Ele
ment n - 1, n bzw. n + 1, ob die jeweilige Größe beim aktuellen
Durchlauf des Sektorenrades oder beim vorherigen oder späte
ren Durchlauf bestimmt wurde. Dieses Element stellt also ei
nen Laufindex dar.
Zur Bestimmung der Drehzahl wird das in Fig. 3 schematisch
dargestellte Verfahren durchgeführt. Zuerst wird in einem
Schritt S0 die Zeitdauer Ta_n + 1 eines Teilsegment-Durchlaufes
ermittelt und abgespeichert. Anschließend wird in einem
Schritt S1 die Zeitdauer T30_n eines Segment-Durchlaufs er
fasst. Anschließend wird in einem Schritt S2 ein Verhältnis
r_n bestimmt, das durch den Bruch aus Ta_n + 1 und T30_n nach
folgender Gleichung erhalten wird:
Die Schritte S0 bis S2 werden fortlaufend durchgeführt, wobei
jeweils die letzten zwei Werte einer jeden Größe in einem
Speicher vorgehalten werden.
In einem Schritt S3 wird anschließend ein Korrekturfaktor k
nach folgender Gleichung berechnet:
Solche Korrekturfaktoren k werden für mehrere Teilsegmente
ermittelt, wobei die einzelnen Teilsegmente so gewählt sind,
dass zu jedem Arbeitsspiel einer Mehrzylinder-
Brennkraftmaschine genau ein Teilsegment gegeben ist.
In einem Schritt S4 erfolgt anschließend die entsprechende
Zylinderzuordnung der aktuellen Korrekturfaktorwerte, so dass
bei einer Vierzylinder-Brennkraftmaschine vier Korrekturfak
toren k1 bis k4 vorliegen. Im allgemeinen entspricht die An
zahl an Korrekturfaktoren ki der Zylinderanzahl der Brenn
kraftmaschine 1.
Nun werden die Korrekturfaktoren ki in einem Schritt S5 einer
Tiefpassfilterung unterzogen, so dass ein entsprechender Satz
an tiefpassgefilterten Korrekturfaktoren K1 bis K4 vorliegt.
Zur Berechnung der Drehzahl wird in einem Schritt S6 mit
nachfolgender Gleichung ein erster Drehzahlwert ermittelt
der anschließend in einem Schritt S7 durch Multiplikation mit
dem zylinderindividuellen, tiefpassgefilterten Korrekturfak
tor Ki korrigiert wird.
V_n = v_n.Ki (4).
Dabei wird zur Korrektur derjenige Korrekturfaktor Ki des
Satzes an Korrekturfaktoren verwendet, der demjenigen Zylin
der zugeordnet ist, dessen Teilsegment-Durchlauf als letzter
gemessen wurde, der mithin als letzter in die Berechnung der
Drehzahl v_n einging.
Claims (6)
1. Verfahren zur Bestimmung der Drehzahl einer Brennkraftma
schine, bei dem
- a) ein von der Brennkraftmaschine angetriebenes Sektorenrad abgetastet wird,
- b) ein Durchlauf eines bestimmten Segmentes des Sektorenrades erfasst und die Zeitdauer dieses Segment-Durchlaufes (T30_n)gemessen und daraus ein Drehzahlwert bestimmt wird,
- c) wiederholt ein Durchlauf eines bestimmten Teils dieses be stimmten Segmentes erfasst und die Zeitdauer dieses Teilseg ment-Durchlaufes (Ta_n; Ta_n + 1) gemessen wird und ein Verhält nis der Zeitdauern (Ta_n; Ta_n + 1) des Teilsegment-Durchlaufes von zwei aufeinanderfolgenden Durchläufen des bestimmten Teil des Segmentes ermittelt wird und
- d) das Verhältnis verwendet wird, um den Drehzahlwert zu kor rigieren.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Drehzahl einer
Mehrzylinder-Brennkraftmaschine bestimmt wird und in Schritt
c) für vier verschiedene Teilsegmente ausgeführt wird, wobei
jedes Teilsegment in einem Arbeitstakt eines anderen Zylin
ders liegt.
3. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, bei dem das
Verhältnis multiplikativ mit dem Drehzahlwert verknüpft wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem
Schritt b) wiederholt ausgeführt und ein Drehzahlwert- Verhältnis zwischen zwei aufeinanderfolgend bestimmten Dreh zahlwerten gebildet wird,
zylinderindividuell das Verhältnis der Zeitdauern des Teil- Segment-Durchlaufes ermittelt wird,
ein zylinderindividueller Korrekturfaktor berechnet wird, indem das Verhältnis durch das Drehzahlwert-Verhältnis divi diert wird, und
in Schritt d) der zylinderindividuelle Korrekturfaktor mul tiplikativ mit dem Drehzahlwert verknüpft wird.
Schritt b) wiederholt ausgeführt und ein Drehzahlwert- Verhältnis zwischen zwei aufeinanderfolgend bestimmten Dreh zahlwerten gebildet wird,
zylinderindividuell das Verhältnis der Zeitdauern des Teil- Segment-Durchlaufes ermittelt wird,
ein zylinderindividueller Korrekturfaktor berechnet wird, indem das Verhältnis durch das Drehzahlwert-Verhältnis divi diert wird, und
in Schritt d) der zylinderindividuelle Korrekturfaktor mul tiplikativ mit dem Drehzahlwert verknüpft wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der zylinderindividuel
le Korrekturfaktor tiefpassgefiltert wird.
6. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, bei dem das
Verhältnis tiefpassgefiltert wird.
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