DE19741780A1 - Verfahren zur Erkennung von Leitungsbrüchen bei einem induktiven Sensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung von Lei­ tungsbrüchen bei einem induktiven Sensor zur Erfassung der Kurbelwellendrehzahl bei einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Induktive Sensoren werden in der Kraftfahrzeug-Elektronik da­ zu verwendet, um beispielsweise die Position und die Drehzahl bzw. die Geschwindigkeit der Kurbelwelle zu messen, um damit die Zündung und/oder die Einspritzung der Brennkraftmaschine zu steuern oder zu regeln. Insbesondere werden die Signale eines solchen Sensors im Rahmen einer On-Board-Diagnose aus­ gewertet, um Verbrennungsaussetzer zu erkennen.

Das Auftreten von Verbrennungsaussetzern bei einer Brenn­ kraftmaschine kann einerseits zur Erhöhung der Emissionsrate von Schadstoffen und anderseits aufgrund von Nachreaktionen des unverbrannten Luft-Kraftstoffgemisches zur Zerstörung des im Abgastrakt der Brennkraftmaschine angeordneten Katalysa­ tors oder zumindest zu einer Beeinträchtigung seiner Konver­ tierungsfähigkeit führen.

Es sind deshalb bereits eine Vielzahl von Verfahren bekannt, die zur Erkennung von Verbrennungsaussetzern mittels einer induktiven Geber/Sensoranordnung die Segmentzeiten messen, die die Kurbelwelle während der Arbeitstakte der einzelnen Zylinder zum Durchlaufen vorgegebener Winkelspannen benötigt. Anschließend werden aus den Segmentzeiten Laufunruhewerte be­ rechnet und diese mit Schwellenwerten verglichen. Bei Über­ schreiten der Schwellenwerte wird ein Verbrennungsaussetzer erkannt (z. B. EP 0 576 705 B1).

Verbrennungsaussetzer einzelner oder mehrerer Zylinder führen zu einer Verlangsamung der Winkelgeschwindigkeit der Kurbel­ welle. Den physikalischen Hintergrund bildet der Verlust an Rotationsenergie bei nicht erfolgter Verbrennung. Da der Meß­ effekt, insbesondere bei höheren Drehzahlen der Kurbelwelle sehr gering ist, muß die Winkelgeschwindigkeit sehr genau ge­ messen werden.

Zur Messung der Winkelgeschwindigkeit dient in der Regel ein Geberzahnrad mit Winkelinkrementen, das fest mit der Kurbel­ welle verbunden ist und dessen ferromagnetischen Zähne an ei­ nem induktiven Sensor während der Drehbewegung der Kurbelwel­ le ein Spannungssignal erzeugen. Als Standard bei den Impuls­ gebern auf der Kurbelwelle von Brennkraftmaschinen haben sich Zahnräder mit 60 Zähnen und einer Lücke von 2 Zähnen durchge­ setzt. Durch die Aussparung von Zähnen erhält man eine Win­ kelreferenz, mit deren Hilfe auch der Absolutwinkel und damit die Stellung der Kurbelwelle eindeutig bestimmt werden kann. Aus dem Signal des Sensors wird in einer Auswerteelektronik die zur Erkennung von Verbrennungsaussetzern verwendeten Laufunruhewerte ermittelt (WO97/20195).

Tritt bei dem induktiven Sensor eine Unterbrechung der Lei­ tungen (Leitungsbruch) auf, so besteht die Gefahr, daß dieser Leitungsbruch, insbesondere bei hohen Drehzahlen der Kurbel­ welle nicht in jedem Fall sicher erkannt werden kann, da auf­ grund von kapazitiven Kopplungen weiterhin ein Ausgangssignal an die Auswerteelektronik geliefert wird. Dies kann zu Fehl­ detektionen führen, d. h. es werden fälschlicherweise Verbren­ nungsaussetzer festgestellt und sowohl unnötige Einträge in den Fehlerspeicher, als auch die Aktivierung einer Fehlerlam­ pe (MIL-malfunction indication lamp) ausgelöst.

Aus der EP 0 581 993 B1 ist eine Schaltungsanordnung zum Steuern einer Last und zum Erkennen einer Unterbrechung der Leitung zu der Last bekannt, bei der ein Meßwiderstand in Reihe zur Last angeordnet ist und dessen Widerstandswert in Abhängigkeit von dem Laststrom durch eine Umschalteinrichtung geändert wird. Ferner meist sie eine Diagnoseeinrichtung auf, die ein Diagnosesignal erzeugt, wenn der durch den Laststrom hervorgerufene Spannungsabfall über dem Meßwiderstand einen Schwellenwert unterschreitet.

Aus der DE-PS 28 41 289 ist ein Verfahren und eine Vorrich­ tung zum Prüfen von induktiven Impulsgebern bekannt. Dabei werden ein der Amplitude der vom Impulsgeber erzeugten Span­ nung proportionales erstes Signal und gleichzeitig ein der Frequenz der Impulse proportionales zweites Signal gebildet. Aus dem Verhältnis von erstem zu zweitem Signal wird ein drittes Signal gebildet, das mit einer vorgegebenen, für die Impulsgeberbauart typischen Größe verglichen wird, wobei die Differenz zwischen drittem Signal und typischer Größe als Gü­ tekriterium verwendet wird. Die Bildung der drei Signale er­ folgt gleichzeitig mittels einer Spule als Tiefpaß, die mit einem Nebenwiderstand zwischen die Anschlüsse des induktiven Gebers geschaltet ist, wobei am Verbindungspunkt von Spule und Widerstand eine Auswerteeinheit angeschlossen ist.

Diese bekannten Anordnungen haben den Nachteil, daß zur De­ tektion von Fehlern der Geber/Sensoranordnung zusätzliche Bauelemente aufgewendet werden müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzu­ geben, mit dem auf einfache Weise ohne zusätzlichen Aufwand an Bauelementen Leitungsbrüche eines induktiven Sensors, des­ sen Signal zur Auswertung von Verbrennungsaussetzern verwen­ det wird, erkannt werden können.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprü­ chen angegeben.

Durch Vergleich der Laufunruhewerte, die aufgrund der vom Sensor gemessenen Segmentzeiten auf bekannte Weise berechnet werden, mit einem Schwellenwert erhält man eine zuverlässige Aussage, ob ein Leitungsbruch vorliegt oder nicht.

Um eine sichere Unterscheidung treffen zu können, ob ein Ver­ brennungsaussetzer vorliegt oder ein Leitungsbruch, ist der Schwellenwert für die Laufunruhe zur Erkennung eines Lei­ tungsbruches höher gewählt, als der Schwellenwert zur Erken­ nung eines Verbrennungsaussetzers.

Das Verfahren wird im folgenden anhand der Zeichnungsfiguren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in Prinzipdarstellung eine Anordnung zur Messung der Winkelgeschwindigkeit,

Fig. 2 ein Ablaufdiagramm zur Erkennung eines Leitungsbru­ ches.

In Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 ein ferromagnetische Zähne aufweisendes Geberzahnrad mit Winkelinkrementen der Breite Δϕ bezeichnet, das auf einer Kurbelwelle 2 montiert ist. Von einem induktiven Sensor 3 wird während der Drehbewe­ gung der Kurbelwelle 2 ein Spannungssignal erzeugt, das mit dem Abstand der Zahnradstirnfläche schwankt. Das Geberzahnrad 1 bildet somit den Modulator zur Umformung der amplitudenana­ logen Eingangsgröße Winkelgeschwindigkeit in ein frequenzana­ loges Signal. Die Nulldurchgänge dieses Signals enthalten ebenfalls die Information über den momentanen Winkel. Durch die Abfolge der Zahnlücken und der ferromagnetischen Zähne des Geberzahnrads I ändert sich das Magnetfeld, das bei­ spielsweise von einem Permanentmagneten im Sensor 3 erzeugt wird.

Ein Zahnrad mit Z Zähnen und einem Radius R wird üblicherwei­ se durch sein Modul

gekennzeichnet. Für eine ausrei­ chend starke Magnetfeldänderung zur Signalgewinnung sind bei den magnetischen Sensoren nur Module innerhalb gewisser Gren­ zen zulässig. Das bedeutet bei vorgegebenem Radius R eine Be­ schränkung der maximalen Anzahl Z der Zähne und damit der ma­ ximalen Winkelauflösung. Ein Winkelinkrement ist gleich

Das Sensorsignal wird über Leitungen 30 zu einem Diskriminator 4 übertragen. Aus dem vom Sensor 3 gelieferten Signal erzeugt dieser Diskriminator 4, der z. B. aus einem Schmitt-Trigger und einem Flankendetektor bestehen kann, ein Rechtecksignal, das durch den Abstand zwischen zwei Flanken T(n) (Periodendauer) gekennzeichnet ist. Die Quantisierung dieses Signals erfolgt mit Hilfe eines Zählers 5 und einer Referenzfrequenz 6. Der so erhaltene Zählerstand ist mit

ein Maß für die Winkelgeschwindigkeit ω.

Bestimmt man die Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle mit­ tels eines Inkrementalgebers, indem die Zeit T_n zum Über­ streichen eines Zylindersegmentes gemessen wird, bei einer 6- Zylinder-Viertaktbrennkraftmaschine z. B. über 120°, kann die Werte folge von T_n zur Erkennung von Verbrennungsaussetzern herangezogen werden. In der Differenz zweier aufeinanderfol­ gender Segmentzeiten ΔT_n=T_n-T_n-1 oder der mit T_n ³ normierte Segmentzeitdifferenz ΔT_n/T_n ³ äußert sich ein Verbrennungs­ aussetzer dann in einen charakteristischen Einbruch im Si­ gnalverlauf.

In der Auswerteelektronik 8 werden aus den Segmentzeiten Laufunruhewerte ermittelt, wie es in dem Verfahren nach der EP 0 576 705 A1 beschrieben ist. Hierzu werden aus den gemes­ senen Segmentzeiten T_n für jeden Zylinder n ein Laufunruhe­ wert LU_n auf der Basis der Differenz ΔT_n von Segmentzeiten zweier Zylindersegmente berechnet. Dieser wird mit einem er­ sten Schwellenwert SW1_LUG_n verglichen, der über ein Kennfeld KF1 aus der gemessenen Last, Drehzahl und Temperatur berech­ net wird. Bei Überschreiten des Schwellenwertes SW1_LUG_n wird dann auf einen Verbrennungsaussetzer erkannt.

Das in der EP 0 583 496 A1 beschriebene Verfahren berücksich­ tigt noch mechanische Zahnradtoleranzen durch eine Korrektur der gemessenen Segmentzeiten mittels eines Korrekturfaktors, der im Betriebszustand Schubabschaltung der Brennkraftmaschi­ ne adaptiert wird. Dadurch ist eine noch genauere Auswertung der Laufunruhewerte möglich. Für das erfindungsgemäße Verfah­ ren ist aber jedes Verfahren zur Bestimmung von Laufunruhe­ werten geeignet.

In Fig. 2 ist ein Ablaufdiagramm für das erfindungsgemäße Verfahren dargestellt.

In einem ersten Verfahrensschritt S1 werden die Segmentzeiten T_n gemessen, d. h. diejenigen Zeitspannen, die die Kurbelwelle benötigt, um sich während des Arbeitstaktes eines Zylinders um einen bestimmten Kurbelwinkel zu drehen. Dies kann bei­ spielsweise mit einer Einrichtung gemäß Fig. 1 erfolgen.

Anschließend werden aus den gemessenen Segmentzeiten T_n im Verfahrensschritt S2 Laufunruhewerte LU_n nach einem beliebi­ gen bekannten Verfahren berechnet. Je nach Art des verwende­ ten Verfahrens werden dabei verschiedene dynamische Einflüs­ se, die beim Betrieb der Brennkraftmaschine auftreten (Be­ schleunigung, Verzögerung) kompensiert. Ein mögliches Verfah­ ren zur Berechnung von Laufunruhewerten ist beispielsweise in der europäischen Patentanmeldung EP 0 576 705 B1 beschrieben. Gemäß diesem bekannten Verfahren wird durch Messung der auf­ einanderfolgenden Zeitspannen (Segmentzeiten), die die Kur­ belwelle während der Arbeitstakte der hinsichtlich der Zünd­ folge aufeinanderfolgenden Zylinder zum Durchlaufen vorgege­ bener Winkelspannen benötigt, für jeden Zylinder ein Laufun­ ruhewert ermittelt. Diese Laufunruhewerte setzen sich aus ei­ ner statischen Komponente, einer die allgemeine Drehzahlten­ denz berücksichtigenden dynamischen Komponente und einer, die Beschleunigungs- und Verzögerungsänderungen berücksichtigen­ den Komponente zusammen. Diese Anteile werden dabei auf der Basis der Differenz der Zeitspannen direkt aufeinanderfolgen­ der Zylinder bzw. auf der Basis der Differenz der Zeitspannen weiter auseinanderliegender Zylinder berechnet.

Gleichzeitig zur Messung der Segmentzeiten T_n wird im Verfah­ rensschritt S3 laufend über entsprechende Sensoren die Dreh­ zahl, die Last und die Temperatur der Brennkraftmaschine ge­ messen.

Im Verfahrensschritt S4 werden aus über Drehzahl und Last aufgespannten, in einem Speicher einer elektronischen Steue­ rungseinrichtung der Brennkraftmaschine abgelegtem Kennfeld KF2 der Schwellenwert SW2_LUG_n ausgelesen. Er wird auf einem Fahrzeugprüfstand für den entsprechenden Antriebstyp be­ stimmt.

In Verfahrensschritt S5 wird der Laufunruhewert LU_n mit dem Schwellenwert SW2_LUG_n verglichen. Ist der Laufunruhewert LU_n kleiner als der Schwellenwert SW2_LUG_n, so wird im Verfah­ rensschritt S7 ein Leitungsbruch registriert. Ist der Wert LU_n größer oder gleich dem Schwellenwert, so wird kein Lei­ tungsbruch registriert (Verfahrensschritt S6). Beide Ergeb­ nisse der Abfrage im Verfahrensschritt S5 werden einer stati­ stischen Auswertung (Verfahrensschritt S8) zugeführt, da bei einzelnen erkannten Leitungsunterbrechungen das Risiko einer Fehldetektion aufgrund nicht reproduzierbarer Einflüsse zu groß wäre. Ein Eintrag in einen Fehlerspeicher 9 erfolgt des­ halb nur, wenn z. B. eine bestimmte Anzahl von Schwellen­ wertüberschreitungen stattgefunden hat. Parallel zum Eintrag in den Fehlerspeicher 9 kann auch eine Fehlerlampe 10 akti­ viert werden (Fig. 1).

Claims (5)

1. Verfahren zum Erkennen von Leitungsbrüchen bei einem in­ duktiven Sensor (3) zur Erfassung der Geschwindigkeit einer sich drehenden Welle (2), insbesondere einer Kurbelwelle einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine, durch Messen der Segmentzeiten (T_n), die die Welle (2) während der Ar­ beitstakte der einzelnen Zylinder zum Durchlaufen vorgege­ bener Winkelspannen benötigt und Berechnen von Laufunruhe­ werten (LU_n) aus diesen Segmentzeiten (T_n), um daraus durch Vergleich mit einem ersten Schwellenwert (SW1_LUG_n) eine Aussage über Verbrennungsaussetzer der Brennkraftmaschine abzuleiten, dadurch gekennzeichnet, daß die die Laufunruhewerte (LU_n) mit einem zweiten Schwellenwert (SW2_LUG_n) verglichen werden und bei Überschreiten des zweiten Schwellenwertes (SW2_LUG_nt) auf einen Bruch der Lei­ tungen (30) des Sensors (3) erkannt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellenwert (SW2_LUG_n) zur Erkennung eines Leitungsbru­ ches höher gewählt ist, als der Schwellenwert (SW1_LUG_n) zur Erkennung von Verbrennungsaussetzern.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Überschreiten des zweiten Schwellenwertes (SW2_LUG_n) ein Fehlereintrag in einen Fehlerspeicher (9) erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Fehlereintrag erst nach einer statistischen Auswertung der Anzahl der Überschreitungen erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, der Schwellenwert (SW2_LUG_n) auf dem Prüfstand last- und dreh­ zahlabhängig ermittelt wird und in einem Kennfeld (KF2) ei­ nes Speichers abgelegt ist.