DE29521352U1 - Device for determining the speed of an internal combustion engine coupled to a generator - Google Patents

Description

VORRICHTUNG ZUR DREHZAHLERMITTLUNG EINES MIT EINEM GENERATOR GEKOPPELTEN VERBRENNUNGSMOTORSDEVICE FOR DETERMINING THE ROTATION SPEED OF AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE COUPLED TO A GENERATOR

BESCHREIBUNGDESCRIPTION

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Drehzahlermittlung eines mit einem Generator gekoppelten Verbrennungsmotors gemäß dem OberbegriffThe invention relates to a device for determining the speed of an internal combustion engine coupled to a generator according to the generic term

Es ist allgemeiner Stand der Technik, die Drehzahl fremdgezündeter Verbrennungsmotoren (Ottomotoren) aus den an der Zündspule auftretenden Hochspannungs-Zündimpulsen für die Zündkerzen zu ermitteln. Hierfür wird meist ein Kabel, welches die Zündimpulse leitet, mit einer geeigneten Abgreifklemme versehen, wodurch die auftretenden Zündimpulse detektiert und gezählt werden können.It is generally state of the art to determine the speed of spark-ignited internal combustion engines (gasoline engines) from the high-voltage ignition pulses for the spark plugs that occur at the ignition coil. For this purpose, a cable that conducts the ignition pulses is usually provided with a suitable alligator clip, whereby the ignition pulses that occur can be detected and counted.

Dabei ist von Nachteil, daß bei modernen fremdgezündeten Verbrennungsmotoren die Zündspulen direkt benachbart zu den Zündkerzen angeordnet sind, so daß ein Abgreifen der Zündimpulse sehr erschwert wird.The disadvantage here is that in modern spark-ignition internal combustion engines the ignition coils are arranged directly next to the spark plugs, making it very difficult to pick up the ignition pulses.

Weiterhin werden moderne Verbrennungsmotoren meist gekapselt ausgeführt, wodurch ein Kabel für die Zündimpulse nur schwer oder gar nicht zugänglich ist. Daher ist auch das Befestigen einer Abgreifklemme schwierig. Durch die dabei an den Leitungen auftretenden Zugkräfte können außerdem Defekte entstehen.Furthermore, modern combustion engines are usually encapsulated, which means that a cable for the ignition pulses is difficult or even impossible to access. This also makes it difficult to attach a crocodile clip. The tensile forces that occur on the cables can also cause defects.

Bei selbstzündenden Verbrennungsmotoren (Dieselmotoren) ist keine Zündspule vorhanden, so daß eine andere Methode zur Drehzahlermittlung angewandt werden muß. Bei einem Dieselmotor wird die Drehzahl in der Regel durch eine optische Detektion einer Marke, welche auf einem mit der Motordrehzahl rotierenden Teil angebracht ist oder durch piezoelektrischeIn self-igniting combustion engines (diesel engines) there is no ignition coil, so another method of determining the speed must be used. In a diesel engine, the speed is usually determined by optical detection of a mark which is attached to a part rotating at the engine speed or by piezoelectric

Schwingungssensoren, die an eine Kraftstoffeinspritzleitung geklemmt werden, ermittelt.Vibration sensors clamped to a fuel injection line.

Dabei ist von Nachteil, daß bei modernen Kraftfahrzeugen mit gekapselten Motoren oftmals keine Möglichkeit mehr besteht, an rotierende Teile oder die Einspritzleitungen heranzukommen und auf herkömmliche Weise die Drehzahl zu erfassen. Weiterhin sind diese Methoden großteils unzuverlässig und weisen eine hohe Fehlerrate auf. Durch Verschmutzung der optisch delektierten Marke oder durch Resonanzfrequenzen wird eine korrekte Drehzahlermittlung erschwert.The disadvantage here is that in modern vehicles with encapsulated engines it is often no longer possible to access rotating parts or the injection lines and to measure the speed in the conventional way. Furthermore, these methods are largely unreliable and have a high error rate. Contamination of the optically detected mark or resonance frequencies make it difficult to determine the speed correctly.

Aus der DE 39 23 532 ist ein Verfahren zur Drehzahlermittlung einer Brennkraftmaschine bekannt. Dabei wird zunächst die Drehzahl eines Generators für die Stromversorgung, der durch den Verbrennungsmotor angetrieben wird, aufgrund der Welligkeit seiner gleichgerichteten Ausgangsspannung ermittelt. Außerdem wird das Übersetzungsverhältnis zwischen Generator und Verbrennungsmotor mit Hilfe von FM-Demodulation der Wenigkeit der Ausgangsspannung des Generators bestimmt und aus diesen beiden Größen die Drehzahl des Verbrennungsmotors berechnet.A method for determining the speed of an internal combustion engine is known from DE 39 23 532. First, the speed of a generator for the power supply, which is driven by the internal combustion engine, is determined based on the ripple of its rectified output voltage. In addition, the transmission ratio between the generator and the internal combustion engine is determined using FM demodulation of the generator's output voltage, and the speed of the internal combustion engine is calculated from these two values.

Dadurch benötigt dieses Verfahren nur eine Verbindung zum Bordnetz des Fahrzeuges, sei es an der Starterbatterie oder im Fahrgastraum am Zigarettenanzünder. Das Verfahren ist sowohl für fremdzündende als auch für selbstzündende Verbrennungsmotoren gleichermaßen geeignet.This means that this process only requires a connection to the vehicle's electrical system, either to the starter battery or to the cigarette lighter in the passenger compartment. The process is equally suitable for both spark-ignition and self-igniting combustion engines.

Dabei ist von Nachteil, daß die Berechnung des Übersetzungsverhältnisses zwischen Generator und Verbrennungsmotor mit Hilfe der FM-Demodulation relativ lange benötigt, um einen genauen Wert zu ermitteln. Weiterhin besteht ein Nachteil darin, daß keine digitale Realisierung für die Ermittlung des Übersetzungsverhältnisses bekannt ist.The disadvantage here is that the calculation of the transmission ratio between the generator and the combustion engine using FM demodulation takes a relatively long time to determine an accurate value. Another disadvantage is that no digital implementation for determining the transmission ratio is known.

Somit liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine schnelle und genaue Vorrichtung zur Drehzahlermittlung eines mit einem Generator gekoppeltenThe invention is therefore based on the object of providing a fast and accurate device for determining the speed of a motor coupled to a generator.

Verbrennungsmotors anzugeben, bei der die Ermittlung des Übersetzungsverhältnisses zwischen Verbrennungsmotors und Generator aus der Welligkeit der Generatorspannung verbessert wird. Weiterhin soll eine möglichst digitale Schaltungsanordnung zur Durchführung angegeben werden.combustion engine, in which the determination of the transmission ratio between combustion engine and generator is improved from the ripple of the generator voltage. Furthermore, a circuit arrangement that is as digital as possible for implementation should be specified.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in einer Einlernphase das gleichgerichtete Ausgangssignal des Generators an einer leicht zugänglichen Stelle im Bordspannungsnetz abgegriffen und in den Frequenzbereich transformiert wird. Anschließend wird die Frequenz des Maximums, welches bei der niedrigsten Frequenz auftritt, und die Frequenz des absoluten Maximums des Leistungsdichtespektrums bestimmt. Der Quotient aus diesen beiden Frequenzen ist das Übersetzungsverhältnis zwischen Generator- und Motordrehzahl. Dieser wird nach der Einlernphase benutzt, um aus der Generatordrehzahl, welche durch das absolute Maximum des Leistungsdichtespektrums charakterisiert wird, die zeitvariante Motordrehzahl zu ermitteln.This task is solved by tapping the rectified output signal of the generator at an easily accessible point in the on-board voltage network and transforming it into the frequency range during a learning phase. The frequency of the maximum, which occurs at the lowest frequency, and the frequency of the absolute maximum of the power density spectrum are then determined. The quotient of these two frequencies is the transmission ratio between the generator and engine speed. This is used after the learning phase to determine the time-variant engine speed from the generator speed, which is characterized by the absolute maximum of the power density spectrum.

Dabei ist von Vorteil, daß die Einlernphase bei einer für die Bestimmung der beiden benötigten Frequenzen optimalen Drehzahl erfolgen kann, wodurch die Vorrichtung in Genauigkeit und Geschwindigkeit verbessert wird. Das daraus berechnete Übersetzungsverhältnis wird für eine Verbrennungsmotor/Generator-Anordnung nach der Einlernphase bei zeitvarianter Drehzahl beibehalten. Weiterhin von Vorteil ist, daß die Transformation in den Frequenzbereich beliebig genau erfolgen kann. Durch eine große Anzahl Abtastwerte der vom Generator erzeugten Netzspannung kann die Genauigkeit verbessert werden. Weiterhin ist von Vorteil, daß kein FM-Demodulator benötigt wird, sondern eine Transformation erfolgt, die durch digitale Baugruppen durchgeführt werden kann. Dadurch läßt sich die Anordnung gut integrieren und mit nur geringem zusätzlichen Schaltungsaufwand von bereits vorhandenen Mikroprozessoren der Schaltungseinheiten durchführen, die die Drehzahlinformation benötigen.The advantage here is that the learning phase can take place at a speed that is optimal for determining the two required frequencies, which improves the accuracy and speed of the device. The gear ratio calculated from this is retained for a combustion engine/generator arrangement after the learning phase at a time-varying speed. Another advantage is that the transformation into the frequency range can be carried out with any degree of precision. The accuracy can be improved by a large number of samples of the mains voltage generated by the generator. Another advantage is that no FM demodulator is required, but rather a transformation takes place that can be carried out by digital modules. This means that the arrangement can be easily integrated and carried out with only a small amount of additional circuitry by existing microprocessors of the circuit units that require the speed information.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.Advantageous embodiments can be found in the dependent claims.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform näher erläutert und beschrieben. Es zeigt:The invention is explained and described in more detail below using the embodiment shown in the drawing. It shows:

Fig. 1 einen typischen Verlauf der Bordspannung eines Kraftfahrzeugs mit laufendem Motor abhängig von der Zeit,
10Fig. 1 shows a typical curve of the on-board voltage of a motor vehicle with the engine running as a function of time,
10

Fig. 2 eine mögliche erfindungsgemäße Schaltungsanordnung,Fig. 2 shows a possible circuit arrangement according to the invention,

Fig. 3 ein Leistungsdichtespektrum eines typischen Bordspannungsverlaufs, wie in Fig. 1 dargestellt, und 15Fig. 3 shows a power density spectrum of a typical on-board voltage curve, as shown in Fig. 1, and 15

Fig. 3a ein möglicher vergrößerter Ausschnitt aus Fig. 3.Fig. 3a is a possible enlarged section of Fig. 3.

Im folgenden Ausführungsbeispiel wird davon ausgegangen, daß es sich bei dem Verbrennungsmotor, dessen Drehzahl ermittelt werden soll, um einen Kfz-Motor handelt, der mit einem bestimmten Übersetzungsverhältnis einen Generator zur Stromerzeugung antreibt. Die vom Generator erzeugte Spannung steht im gesamten Bordnetz zur Verfügung.In the following example, it is assumed that the combustion engine whose speed is to be determined is a motor vehicle engine that drives a generator to generate electricity with a certain gear ratio. The voltage generated by the generator is available in the entire vehicle electrical system.

Figur 1 zeigt einen typischen zeitlichen Verlauf der Bordspannung eines Kraftfahrzeuges mit laufendem Motor. Der im Vergleich zu den interessierenden Spannungsanteilen hohe Gleichspannungsanteil ist zur Vereinfachung nicht dargestellt.Figure 1 shows a typical time profile of the on-board voltage of a motor vehicle with the engine running. The DC voltage component, which is high compared to the voltage components of interest, is not shown for the sake of simplicity.

Figur 3 und 3a zeigen das Leistungsdichtespektum des Signals von Figur 1 über der Frequenz. Gut zu erkennen ist das absolute Maximum des Leistungsdichtespektrums bei der Frequenz f 1; Figur 3a stellt dabei einenFigures 3 and 3a show the power density spectrum of the signal from Figure 1 over frequency. The absolute maximum of the power density spectrum at frequency f 1 is clearly visible; Figure 3a represents a

vergrößerten Ausschnitt im unteren Frequenzbereich von Figur 3 dar, der ein erstes Maximum beinhaltet, das bei der niedigsten Frequenz f2 auftritt.enlarged section in the lower frequency range of Figure 3, which includes a first maximum that occurs at the lowest frequency f2.

Figur 2 zeigt das Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Erfassung der Drehzahl gemäß der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Der von dem Verbrennungsmotor 1 angetriebene Generator 2 liefert elektrische Energie an das Bordnetz 3 des Kraftfahrzeuges. Dieser Stromfluss ist nicht kontinuierlich, sondern bedingt durch seine Erzeugung im. Generator zunächst als Wechsel- oder Drehstrom vorhanden und durch die anschließende Gleichrichtung, die in der Regel unmittelbar im Generator erfolgt, als pulsförmiger Gleichstrom im Bordnetz 3 detektierbar. Diese Stromimpulse führen an Leitungswiderständen des Bordnetzes 3 zu Spannungen, wie in Figur 1 dargestellt.Figure 2 shows the block diagram of a device according to the invention for detecting the speed according to the device according to the invention. The generator 2 driven by the combustion engine 1 supplies electrical energy to the vehicle's electrical system 3. This current flow is not continuous, but due to its generation in the generator it is initially present as alternating or three-phase current and can be detected as pulsed direct current in the vehicle's electrical system 3 through the subsequent rectification, which usually takes place directly in the generator. These current pulses lead to voltages at the line resistances of the vehicle's electrical system 3, as shown in Figure 1.

Die Frequenz f1 der sogenannten Hauptkomponente aus Fig. 3a ergibt sich aus der Drehzahl des Generators, sowie aus der Bauart des Generators, insbesondere der Polpaarzahl und der Phasenzahl. Polpaarzahl und Phasenzahl des Generators gehen dabei in das Übersetzungsverhältnis, welches in der Einlernphase bestimmt wird, ein und müssen bei späteren Messungen nicht mehr berücksichtigt werden. In Verbindung mit dem Übersetzungsverhältnis zwischen Verbrennungsmotor und Generator kann von der Drehzahl des Generators auf die Drehzahl des Verbrennungsmotors rückgeschlossen werden.The frequency f1 of the so-called main component from Fig. 3a results from the speed of the generator and the type of generator, in particular the number of pole pairs and the number of phases. The number of pole pairs and the number of phases of the generator are included in the transmission ratio, which is determined in the learning phase, and do not need to be taken into account in subsequent measurements. In conjunction with the transmission ratio between the combustion engine and the generator, the speed of the combustion engine can be deduced from the speed of the generator.

Neben dieser durch den Generator verursachten Spannungskomponente bei der Frequenz f1 finden sich im Bordnetz immer auch Frequenzanteile mit der Zündfrequenz oder der Pumpfrequenz der Kraftstoffeinspritzanlage des Verbrennungsmotors, wie in Fig. 3a als Spannungskomponente mit der Frequenz f2 dargestellt. Diese Anteile entstehen durch Einstreuungen der Zündanlage oder der Kraftstoffeinspritzanlage. Sie sind proportional zur Drehzahl des Verbrennungsmotors und von dem Arbeätsprinzip (Zweitaktoder Viertaktmotor) und der Zylinderzahl abhängig.In addition to this voltage component caused by the generator at frequency f1, there are always frequency components in the on-board network with the ignition frequency or the pump frequency of the fuel injection system of the internal combustion engine, as shown in Fig. 3a as a voltage component with frequency f2. These components arise from interference from the ignition system or the fuel injection system. They are proportional to the speed of the internal combustion engine and depend on the working principle (two-stroke or four-stroke engine) and the number of cylinders.

Das Übersetzungsverhältnis kann somit bei bekanntem Arbeitsprinzip und Zylinderzahl des Verbrennungsmotors aus dem Quotienten der Frequenzen f1 und f2 berechnet werden.
5The transmission ratio can thus be calculated from the quotient of the frequencies f1 and f2, given the known operating principle and number of cylinders of the combustion engine.
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Hierfür trennt ein Bandpass 4 die im Bordnetz überlagerte Wechselspannung mit den interessierenden Frequenzanteilen f1 und f2 von der Gleichspannung ab und unterdrückt hochfrequente Störanteile. Ein Verstärker 5 verstärkt die bandpaßgefiitertenFor this purpose, a bandpass filter 4 separates the alternating voltage superimposed in the vehicle electrical system with the relevant frequency components f1 and f2 from the direct voltage and suppresses high-frequency interference components. An amplifier 5 amplifies the bandpass-filtered

Wechselspannungskomponenten und ein Analog/Digitalwandler 6 wandelt den analogen Spannungsveriauf passend für die digitale Signaiverarbeitungseinheit 7 in digitale Abtastwerte um. Im einfachsten Fall besteht der Analog-Digitaiwandler 6 aus einer Spannungskomparatorschaltung, die nur entscheidet, ob der Spannungspege! über oder unter einer fest eingestellten Schwelle liegt.AC voltage components and an analog/digital converter 6 converts the analog voltage curve into digital samples suitable for the digital signal processing unit 7. In the simplest case, the analog/digital converter 6 consists of a voltage comparator circuit that only decides whether the voltage level is above or below a fixed threshold.

Die digitale Signalverarbeitungseinheit 7 kann z.B. aus einem Mikrokontroller oder digitalen Signalprozessor bestehen. Ihre Leistungsfähigkeit ergibt sich aus der geforderten Meßzykluszeit. Die Signalverarbeitungseinheit 7 kann auch Bestandteil einer Schaltungseinheit zur weiteren Auswertung der Drehzahlinformation sein.The digital signal processing unit 7 can consist of a microcontroller or digital signal processor, for example. Its performance is determined by the required measurement cycle time. The signal processing unit 7 can also be part of a circuit unit for further evaluation of the speed information.

Die digitale Signalverarbeitungseinheit 7 führt in einer Einlernphase, in der der Kraftfahrzeugmotor im Leerlauf mit möglichst konstanter Drehzahl betrieben wird, eine Fouriertransformation mit so vielen Meßwerten, wie für die gewünschte Frequenzauflösung benötigt werden durch, um die Zündfrequenz f2 und die Drehzahl des Generators aus f1 hinreichend genau zu bestimmen. Bei bekannter Zylinderzahl und Arbeitsprinzip (Zweitakt oder Viertakt) des Verbrennungsmotors berechnet die Signalverarbeitungseinheit 7 daraus die Kurbelwellendrehzahl und die Drehzahl des Generators.In a learning phase in which the motor vehicle engine is idling at a speed that is as constant as possible, the digital signal processing unit 7 carries out a Fourier transformation with as many measured values as are required for the desired frequency resolution in order to determine the ignition frequency f2 and the speed of the generator from f1 with sufficient accuracy. If the number of cylinders and the operating principle (two-stroke or four-stroke) of the internal combustion engine are known, the signal processing unit 7 calculates the crankshaft speed and the speed of the generator from this.

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Die Frequenz f2 ist dabei sehr niedrig, bei einem Vierzylinder-Viertaktmotor im Leerlauf ca. 25 Hz, so daß die benötigten Meßzeiten für eine kontinuierliche Ermittlung der Drehzahl, etwa beim Beschleunigen des Verbrennungsmotors, zu lang sind. Die Frequenzkomponente f1 ist um einen festen, bauartbedingten Übersetzungsfaktor größer als f2. Typische Werte für f1 im Leerlauf sind 1 kHz bis 1,5 kHz, so daß bei bekanntem Übersetzungsverhältnis mit wesentlich kürzeren Meßzeiten die Drehzahl aus der Frequenz f1 bestimmt werden kann. In einer Einlernphase wird daher zunächst das Übersetzungsverhältnis f1/f2 bestimmt, das für weitere Messungen an einem Fahrzeug zur Berechnung der Drehzahl aus der Frequenz f1 beibehalten wird.The frequency f2 is very low, around 25 Hz for a four-cylinder four-stroke engine when idling, so that the measurement times required for a continuous determination of the speed, for example when accelerating the combustion engine, are too long. The frequency component f1 is larger than f2 by a fixed, design-related transmission factor. Typical values for f1 when idling are 1 kHz to 1.5 kHz, so that with a known transmission ratio, the speed can be determined from the frequency f1 with significantly shorter measurement times. In a learning phase, the transmission ratio f1/f2 is therefore first determined, which is retained for further measurements on a vehicle to calculate the speed from the frequency f1.

Claims (5)

SCHUTZANSPRÜCHEPROTECTION CLAIMS 1. Vorrichtung zur Drehzahlermittlung eines mit einem Generator verbundenen Verbrennungsmotors, insbesondere eines Antriebsmotors eines Kraftfahrzeugs, wobei der Verbrennungsmotor (1) eine bekannte Zylinderzahl und ein bekanntes Arbeitsprinzip hat, wobei der Generator (2) von dem Verbrennungsmotor (1) mit einem festen Übersetzungsverhältnis angetrieben wird, und bei dem die Vorrichtung aus der Welligkeit der in das Bordnetz (3) eingespeisten gleichgerichteten Generatorspannung die Drehzahl des Verbrennungsmotors (1) ermittelt, dadurch gekennzeichnet,1. Device for determining the speed of an internal combustion engine connected to a generator, in particular a drive motor of a motor vehicle, wherein the internal combustion engine (1) has a known number of cylinders and a known operating principle, wherein the generator (2) is driven by the internal combustion engine (1) with a fixed gear ratio, and wherein the device determines the speed of the internal combustion engine (1) from the ripple of the rectified generator voltage fed into the on-board network (3), characterized in that daß die Vorrichtung das Übersetzungsverhältnis zwischen Generator (2) und Verbrennungsmotor (1) automatisch in einer Einlernphase bestimmt, indem eine Transformation der digitalisierten Anteile der gleichgerichteten Ausgangsspannung des Generators (2) in den Frequenzbereich erfolgt und die Vorrichtung das Verhältnis der Frequenz mit maximaler Leistungsdichte zur niedrigsten auftretenden Frequenz als Übersetzungsverhältnis zwischen Generator (2) und Verbrennungsmotor (1) ermittelt.that the device automatically determines the transmission ratio between the generator (2) and the internal combustion engine (1) in a learning phase by transforming the digitized components of the rectified output voltage of the generator (2) into the frequency range and the device determines the ratio of the frequency with maximum power density to the lowest occurring frequency as the transmission ratio between the generator (2) and the internal combustion engine (1). 2. Vorrichtung nach Anspruch 1,2. Device according to claim 1, dadurch gekennzeichnet,characterized, daß die Spannung des Bordnetzes (3) durch einen Bandpaßfilter (4) gefiltert wird, daß das bandbegrenzte Ausgangssignal des Bandpasses (4) einem Analog/Digitalwandler (6) zugeleitet wird und daß das digitalisierte Spannungssignal einer Baugruppe (7) zur digitalen Signalverarbeitung zugeleitet wird, welche eine diskrete Fouriertransformation durchführt.that the voltage of the vehicle electrical system (3) is filtered by a bandpass filter (4), that the band-limited output signal of the bandpass filter (4) is fed to an analog/digital converter (6) and that the digitized voltage signal is fed to a module (7) for digital signal processing, which carries out a discrete Fourier transformation. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,3. Device according to claim 1 or 2, characterized in daß der Bandpaßfilter ( 4) eine obere Grenzfrequenz von ca. 20 kHz aufweist.
5that the bandpass filter (4) has an upper limit frequency of approximately 20 kHz.
5 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Analog/Digital-Wandier (6) aus einem Spannungskomparator besteht.4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the analog/digital converter (6) consists of a voltage comparator. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Bandpaßfilter (4) ein Verstärker (5) vorgesehen ist.5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that an amplifier (5) is provided after the bandpass filter (4).