EP0678159A1 - Einrichtung zur kurbelwellensynchronen erfassung einer sich periodisch ändernden grösse - Google Patents

Einrichtung zur kurbelwellensynchronen erfassung einer sich periodisch ändernden grösse

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EP0678159A1
EP0678159A1 EP94918296A EP94918296A EP0678159A1 EP 0678159 A1 EP0678159 A1 EP 0678159A1 EP 94918296 A EP94918296 A EP 94918296A EP 94918296 A EP94918296 A EP 94918296A EP 0678159 A1 EP0678159 A1 EP 0678159A1
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crankshaft
segment
signal
internal combustion
periodically changing
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Andreas Lock
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Robert Bosch GmbH
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/18—Circuit arrangements for generating control signals by measuring intake air flow
    • F02D41/187—Circuit arrangements for generating control signals by measuring intake air flow using a hot wire flow sensor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/18—Circuit arrangements for generating control signals by measuring intake air flow

Definitions

  • the invention relates to a device for crankshaft-synchronous detection of a periodically changing variable in an internal combustion engine, in particular the load, according to the preamble of the main claim.
  • the device according to the invention with the characterizing features of the main claim has the advantage that, on the one hand, a very accurate averaging is possible and, on the other hand, the exact course of the intake manifold pressure or the exact course of the amount of air drawn in can be determined. It is also possible to precisely determine the air mass sucked in per work cycle. Overall, a particularly precise and reliable load determination is possible.
  • the measured values obtained can be compared from segment to segment and thus from work cycle to work cycle, mean values belonging to the individual segments can be formed, which are then also available for regulating the internal combustion engine.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the device according to the invention
  • FIG. 2 shows associated signal sequences by means of which the invention is explained.
  • FIG. 10 denotes the control unit, 11 the crankshaft and 12 a disk which is connected to the crankshaft 11 and rotates with it.
  • the surface of the disk 12 has a number of markings 13a, 13b, 13c which is matched to the number of cylinders of the internal combustion engine. In the case shown in FIG. 1 there are three markings, such a disc is used in a six cylinder internal combustion engine. An area designated by o ⁇ j ⁇ forms a so-called segment. This area is defined in FIG. 1 as the angle between the rear flank of the mark 13a and the rear flank of the mark 13b.
  • the disk 12 is scanned by a fixed sensor 14, the output signal of which the control device 10 as an input signal E ! is fed and processed there.
  • the intake manifold of the internal combustion engine is designated, 16 schematically represents the throttle valve which is arranged in the intake manifold. 17 shows an area of the intake manifold that acts as a pneumatic filter and 18 is a hot-wire air mass meter HLM that measures the air flow
  • Air registered and the output signal of the control unit 10 is supplied as signal U LH .
  • HFM can also be used instead of an HLM.
  • 19 denotes a pressure sensor which is arranged in the intake manifold, for example at one of the locations shown, and measures the intake manifold pressure. This sensor is also connected to the control unit 10, in which the output signals ULP of the pressure sensor are also processed. The control device 10 'supplies output signals A for regulating the
  • the output signals of the load sensor that is to say of the pressure sensor or of the air mass meter, are processed in a suitable manner, in particular they can be filtered in such a way that • A periodic signal curve arises, which is then processed further.
  • FIG. 2a shows a signal obtained from the crankshaft sensor. Only those signal parts are generated which are generated when the rear sides of the marks 13a, 13b, 13c pass the crankshaft sensor 14.
  • the distance between the signal edges is 120 ° / KW for the exemplary embodiment according to FIG. 1, so it corresponds to just one segment.
  • the course of the load signal U L is shown in FIG. 2c. This is either the signal ULH coming from the hot wire or hot film air mass meter or the signal from the pressure sensor U ⁇ p arranged in the intake manifold. This signal fluctuates periodically with a period length that corresponds to a segment length or an angle of o. ⁇ w corresponds.
  • the hot-wire air mass meter delivers a DC voltage signal which is essentially dependent on the air mass flow and has a sinusoidal pulsation, the amplitude of which decreases as the speed increases.
  • the output signal in the case of pulsation corresponds to the absolute value of a sine wave.
  • the output signal of the pressure sensor is essentially linearly dependent on the pressure DC voltage signal with a superimposed sinusoidal pulsation in the entire speed range.
  • the actual signal curve is irrelevant for the understanding of the invention, and therefore only the periodic portion is shown.
  • the pressure sensor is installed directly in the intake manifold, an additional filter can be used, but it is not absolutely necessary to obtain a signal that can be reliably evaluated.
  • the signal according to FIG. 2c is sampled in the control device in a special grid, for example in a 1 millisecond grid. It is essential that the scanning begins at the same point for each segment.
  • the sampling is synchronized as a function of the signal edges according to FIG. 2a. If this synchronization were not carried out, a beat in the load signal would occur due to the constant sampling intervals even in the stationary engine operating state.
  • the first sampling takes place one millisecond after the occurrence of the first edge of the signal according to FIG. 2a.
  • the first scan is designated 1 in FIGS. 2b and 2c.
  • the second scan takes place a millisecond later and is labeled 2.
  • the fourth scan is the last in the first segment.
  • the fifth sampling takes place not one millisecond after the fourth, but one millisecond after the occurrence of the second edge of the signal according to FIG. 2a. So it won't scanned at the point labeled 5, but at the point labeled 5 '.
  • the scanning takes place at 9 '• and not at 9 or 9'.
  • Position 9 '' follows a ' millisecond after the third edge of the signal according to FIG. 2a.
  • the averaging takes place over one segment each.
  • the mean load signal of the first segment is thus formed from the first four sampled load signal values.
  • This mean corresponds to the mean of the second segment, which is formed from the samples 5 1 to 8 1 .
  • the sample values 9 "to 12" are used for averaging.
  • the load signal (from the HLM or HFM) is integrated over a work cycle, i.e. over a period length, the following applies:
  • n and n + 1 represents a segment, or between t n and n + ⁇ the crankshaft rotates through an angle ⁇ W.
  • the specified procedure can be used for both Druckais and HFM / HLM systems.
  • a control unit that processes the signals can thus be used for both data acquisition systems, identically in terms of hardware, by switching data sets.
  • the determined load is used in the control unit for regulating the internal combustion engine, in particular in connection with an optimized ignition and injection.
  • Figure 1 shows an embodiment with a segment disc.
  • An incremental disk can also be used, with a large number, for example 60-2 markings, the two missing markings forming a reference mark.
  • the disc can also be connected to the camshaft. It is crucial that the sampling of the periodic signal to be evaluated takes place with a period of one segment length in each segment at the same location (FIG. 2c).

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Abstract

Es wird eine Einrichtung zur kurbelwellensynchronen Erfassung einer sich periodisch ändernden Größe einer Brennkraftmaschine angegeben, beispielsweise der Last, die von einem Sensor gemessen wird, dessen in geeigneter Weise aufbereitetes bzw. gefiltertes Ausgangssignal im einem wählbaren Zeitraster abgetastet wird. Der Beginn der Abtastung wird für jedes Segment neu synchronisiert, wobei zur Synchronisation das Signal eines KW-Sensors verwendet wird, der eine mit der KW verbundene Scheibe abtastet und eine Signalflanke pro Segment abgibt. Die Kombination zur kurbelwellensynchroner und, bezogen auf das Segment, zeitkonstanter Abtastung erlaubt den Einsatz unterschiedlicher Lasterfassungssensoren bei gegenüber bisher eingesetztem Verfahren verbesserter Genauigkeit. Aus den abgetasteten Meßwerten ist der Mittelwert der Last für jedes Segment bestimmbar, es kann auch die pro Arbeitstakt angesaugte Luftmenge ermittelt werden.

Description

Einrichtung zur kurbelwellensynchronen Erfassung einer sich periodisch ändernden Größe
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung zur kurbelwellensynchronen Erfassung einer sich periodisch ändernden Größe bei einer Brennkraftmaschine, insbesondere der Last, nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Es ist bekannt, daß der Unterdr ck im Saugrohr einer Brennkraftmaschine im Arbeitstakt der Brennkraftmaschine pulsiert. Zur exakten Regelung der Brennkraftmaschine wird jedoch der tatsächlich Luftdurchsatz benötigt. In vielen Fällen wird eine Ersatzgröße wie der Mittelwert des Saugrohrdruckes herangezogen. Es wird deshalb beispielsweise in der DE-OS 38 03 276 vorgeschlagen, den Saugrohrdruck winkelsynchron zweimal pro Periodendauer abzutasten und entweder das erhaltene Signal oder den Saugrohrdruck selbst durch geeignete Filter so zu dämpfen, daß ein quasi sinusförmiger Signalverlauf erhalten wird. Wird dieses Signal zweimal pro Zündabstand abgetastet, kann aus zwei aufeinanderfolgenden Werten direkt der Mittelwert berechnet werden.
Für moderne Brennkraftmaschinen ist diese Mittelwertbildung immer noch zu ungenau. Außerdem läßt sich mit dieser Methode nur der Mittelwert und nicht der genaue Druckverlauf bzw. der genaue Luftdurchsatz bestimmen, gerade dies wird für einige Regelmaßnahmen jedoch gewünscht.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Einrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß einerseits eine sehr genaue Mittelwertbildung möglich ist und andererseits der genaue Saugrohrdruckverlauf bzw. der genaue Verlauf der angesaugten Luftmenge bestimmt werden kann. Es ist also auch möglich, die pro Arbeitstakt angesaugte Luftmasse genau zu ermitteln. Insgesamt ist eine besonders genaue und zuverlässige Lastermittlung möglich.
Es ist weiterhin vorteilhaft, daß die erzielten Meßwerte von Segment zu Segment und damit von Arbeitstakt zu Arbeitstakt miteinander vergleichbar sind, es lassen sich dabei_ zu den einzelnen Segmenten gehörende Mittelwerte bilden, die dann auch für die Regelung der Brennkraftmaschine zur Verfügung stehen.
Erzielt werden diese Vorteile, indem der Signalverlauf mit einer hohen Abtastrate abgetastet wird, wobei der Beginn der Abtastung kurbelwellenbezogen synchronisiert ist, es wird also für jedes Segment an der selben Stelle mit der Abtastung begonnen. Dies ermöglicht eine Synchronisation auf das periodisch oszillierende Lastsignal. Durch Integration über einen Arbeitstakt wird die zugehörige angesaugte Luftmenge • berechnet. Eine geeignete Filterung des periodisch oszillierenden Signales kann vor der Abtastung durchgeführt werden, ist aber im Gegensatz zu der aus der DE-OS 38 03 276 bekannten Lösung nicht unbedingt erforderlich.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der im Hauptanspruch angegebenen Einrichtung möglich.
Zeichnung
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargeteilt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Im einzelnen zeigt Figur 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Einrichtung, in Figur 2 sind zugehörige Signalabläufe dargestellt, anhand derer die Erfindung erläutert wird.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Figur 1 sind die erfindungswesentlichen Teile einer Brennkraftmaschine schematisch dargestellt. Dabei ist mit 10 das Steuergerät bezeichnet, mit 11 die Kurbelwelle und mit 12 eine Scheibe, die mit der Kurbelwelle 11 verbunden ist und sich mit dieser dreht.
Die Oberfläche der Scheibe 12 weist eine Anzahl von Markierungen 13a, 13b, 13c auf, die auf die Zahl der Zylinder der Brennkraftmaschine abgestimmt ist. Im in Figur 1 dargestellten Fall sind es drei Markierungen, eine solche Scheibe findet Verwendung bei einer Sechs- zylinderbrennkraftmaschine. Ein Bereich, der mit o< j^ bezeichnet ist, bildet ein sogenanntes Segment. Dieser Bereich ist in Figur 1 definiert als Winkel zwischen der Rückflanke der Marke 13a und der Rückflanke der Marke 13b.
Die Scheibe 12 wird von einem feststehenden Sensor 14 abgetastet, dessen Ausgangsignal dem Steuergerät 10 als Eingangssignal E! zugeführt wird und dort weiterverarbeitet wird.
Mit 15 ist das Saugrohr der Brennkraftmaschine bezeichnet, 16 stellt schematisch die Drosselklappe dar, die im Saugrohr angeordnet ist. Mit 17 ist ein Bereich des Saugrohres dargestellt, der als pneumatisches Filter wirkt und 18 ist ein Hitzdraht-Luftmassenmesser HLM, der die durchströmende
Luft registriert und dessen Ausgangssignal dem Steuergerät 10 als Signal ULH zugeführt wird.
An Stelle eines HLM kann auch ein HFM eingesetzt werden. 19 bezeichnet einen Drucksensor, der im Saugrohr, beispielsweise an einer der gezeigten Stellen angeordnet ist und den Saugrohrdruck mißt. Dieser Sensor ist ebenfalls mit dem Steuergerät 10 verbunden, in dem auch die Ausgangssignale ULP des Drucksensors verarbeitet werden. Das Steuergerät 10 ' liefert Ausgangssignale A zur Regelung der
Brennkraftmaschine, insbesonders der Zündung und Einspritzung.
Die Ausgangssignale des Lastsensors, also des Drucksensors oder des Luftmassenmessers werden in geeigneter Weise aufbereitet, insbesondere können sie so gefiltert werden, daß • ein periodischer Signalverlauf entsteht, der dann weiterverarbeitet wird.
In Figur 2a ist ein aus dem Kurbelwellensensor erhaltenes Signal dargestellt, dabei sind nur diese Signalteile aufgetragen, die beim Vorbeilaufen der Rückseiten der Marken 13a, 13b, 13c am Kurbelwellensensor 14 erzeugt werden. Der Abstand zwischen den Signalflanken beträgt für das Ausführungsbeispiel nach Figur 1 120 °/KW, er entspricht also gerade einem Segment.
In Figur 2c ist der Verlauf des Lastsignales UL dargestellt. Dieses ist entweder des vom Hitzdraht- bzw. Heißfilm- Luftmassenmesser stammende Signal ULH oder das Signal des im - Saugrohr angeordneten Drucksensors U^p. Dieses Signal ist periodisch schwankend mit einer Periodenlänge, die einer Segmentlänge bzw. einem Winkel von o . κw entspricht.
Der Lastverlauf nach Figur 2c ist im übrigen nur schematisch dargestellt, dies ist für das Verständnis der Erfindung jedoch nicht wesentlich. Genaugenommen liefert der Hitzdrahtluftmassenmesser ein im wesentlichen vom Luftmassenstrom abhängiges Gleichspannungssignal mit einer sinusartigen Pulsation, deren Amplitude zu höheren Drehzahlen hin kleiner wird. Im Ruckstrδmbereich bei ca. 800 bis 1400 U/min, je nach Motor entspricht das Ausgangssignal bei Pulsation dem Absolutbetrag einer SinusSchwingung.
Das Ausgangssignal des Drucksensors stellt ein im wesentlichen vom Druck linear abhängiges Gleichspannungssignal dar mit einer überlagerten sinusförmigen Pulsation im gesamten Drehzahlbereich. Der tatsächliche Signalverlauf ist jedoch für das Verständnis der Erfindung unerheblich, es ist deshalb nur der periodische Anteil dargestellt.
Wird der Drucksensor direkt im Saugrohr angebracht, kann ein zusätzliches Filter eingesetzt werden, es ist aber nicht unbedingt erforderlich um ein zuverlässig auswertbares Signal erhalten werden.
Das Signal nach Figur 2c wird im Steuergerät in einem speziellen Raster abgetastet, beispielsweise in einem 1- Millisekunden-Raster. Dabei ist wesentlich, daß die Abtastung für jedes Segment an der gleichen Stelle beginnt. Die
Synchronisation der Abtastung erfolgt in Abhängigkeit von den Signalflanken nach Figur 2a. Würde diese Synchronisation nicht durchgeführt werden, so würde aufgrund der konstanten Abtastintervalle auch im stationärem Motorbetriebszustand eine Schwebung im Lastsignal auftreten.
Die erste Abtastung erfolgt beim dargestellten Ausführungsbeispiel eine Millisekunde nach dem Auftreten der ersten Flanke des Signales nach Figur 2a. Die erste Abtastung ist in Figur 2b und 2c mit 1 bezeichnet. Die zweite Abtastung erfolgt eine Millisekunde später und ist mit 2 bezeichnet. Die vierte Abtastung ist die letzte im ersten Segment.
Die fünfte Abtastung erfolgt nicht eine Millisekunde nach der vierten, sondern eine Millisekunde nach dem Auftreten der zweiten Flanke des Signales nach Figur 2a. Es wird also nicht an der mit 5 bezeichneten Stelle abgetastet, sondern an der mit 5' bezeichneten Stelle. Für die sechste bis achte Abtastung gilt analog, daß bei 61 bis 81 abgetastet wird und nicht bei 6 bis 8 wie im unsynchronisierten Fall. Dadurch ist sichergestellt, daß die Abtastung für jedes Segment synchronisiert ist und an derselben Stelle erfolgt.
Beim Übergang ins dritte Segment erfolgt die Abtastung bei 9 ' • und nicht bei 9 oder 9' . Dabei folgt die Stelle 9 ' ' eine ' Millisekunde nach der dritten Flanke des Signales nach Figur 2a.
Die Mittelwertbildung erfolgt über je ein Segment. Das mittlere Lastsignal des ersten Segmentes wir also aus den erste vier abgetasteten Lastsignalwerten gebildet. Dieser Mittelwert entspricht dem Mittelwert des zweiten Segmentes, der aus den Abtastwerten 51 bis 81 gebildet wird. Im dritten Segment werden die Abtastwerte 9" bis 12" zur Mittelwertbildung verwendet.
Zur Bestimmung der pro Arbeitstakt angesaugten Luftmenge wird das Lastsignal (vom HLM oder HFM) über einen Arbeitstakt, also über eine Periodenlänge aufintegriert, es gilt:
-n+1
mL = (t) dt wobei n und n+1 ein Segment darstellt, bzw. zwischen tn und n+ι die Kurbelwelle sich um einen Winkel Ö W dreht.
Bei einer Brennkraftmaschine mit wahlweise einem Drucksensor oder einem Luftmassenmesser ist eine Kombination der beiden Erfassungssysteme denkbar, wenn beide Signale so aufbereitet werden, daß die Filter-Zeitkonstanten in der gleichen Größenordnung liegen. Eine kurbelweilen- bzw. drehzahl- synchronisierte Abtastung im 1ms-Raster ermöglicht dann eine einheitliche Lasterfassung.
Das angegebene Verfahren kann sowohl für Druckais auch für HFM/HLM-Systeme eingesetzt werden. Bei kompatibler Sensorschnittstelle kann ein die Signale verarbeitendes Steuergerät somit hardwareidentisch durch Umschalten von Datensätzen wahlweise für beide Datenerfassungssysteme eingesetzt werden.
Die ermittelte Last wird im Steuergerät zur Regelung der Brennkraftmaschine verwertet, insbesondere im Zusammenhang mit einer optimierten Zündung und Einspritzung.
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einer Segmentscheibe. Es kann ebenso eine Inkrementscheibe verwendet werden, mit einer Vielzahl, z.B. 60-2 Markierungen, wobei die beiden fehlenden Markierungen eine Bezugsmarke bilden. Die Inkrementscheibe ist dann so auszugestalten, daß eine bestimmte Zahl von Markierungen, z.B. zehn eine Segmentscheibe bilden, sich also über einen Winkel von αjζ-jj = 60° bei einem Sechszylindermotor erstrecken. Mit entsprechender Anpassung kann die Scheibe auch mit der Nockenwelle in Verbindung stehen. Entscheidend ist, daß die Abtastung des auszuwertenden periodischen Signales mit einer Periodendauer von einer Segmentlänge in jedem Segment an der gleichen Stelle erfolgt (Figur 2c) .

Claims

Ansprüche
1. Einrichtung zur kurbelwellensynchronen Erfassung einer sich periodisch ändernden Größe einer Brennkraftmaschine, insbesonders der Last, mit einem Sensor, der ein von der Stellung der Kurbelwelle abhängiges Signal abgibt, das wenigstens eine Flanke pro Segment aufweist, wobei ein Segment einem wählbaren Kurbelwellenwinkelbereich entspricht und einem weiteren Sensor, der ein lastabhängiges Signal abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß das lastabhängige Signal in einem wählbaren Zeitraster abgetastet wird und der Beginn der Abtastung in jedem Segment im gleichen Abstand von der entsprechenden Flanke des kurbelwellenwinkelabhängigen Signales erfolgt
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus den abgetasteten Werten ein Mittelwert gebidet wird, wobei über jeweils ein Segment gemittelt wird.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurbelwellenwinkelbereich, der eine Segmentlänge bildet, von der Zahl der Zylinder der Brennkraftmaschine abhängt und so festgelegt wird, daß er einer Periodenlänge der sich periodisch ändernden Größe entspricht.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung des kurbelwellenwinkelabhängigen Signales eine mit der Kurbelwelle verbundene Scheibe mit einer der halben Anzahl der Zylinder entsprechenden Zahl von Markierungen von einem Aufnehmer abgetastet wird.
5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastung der sich periodisch ändernden Größe in konstanten Zeitintervallen, insbesondere im Millisekundenabstand erfolgt.
6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die sich periodisch ändernde Größe der Luftstrom im Saugrohr der Brennkraftmaschine ist und als Sensor ein Luftmassen- oder Luftmengenmesser, insbesondere ein HFM oder HLM eingesetzt wird und/oder daß die sich periodisch ändernde Größe der Druck im Saugrohr der Brennkraftmaschine ist und als Sensor ein Drucksensor eingesetzt wird.
7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastung und die Auswertung der Signale mit Hilfe des Steuergerätes der Brennkraftmaschine erfolgt.
8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anpassung der Filterkonstanten und der Abtastrate so erfolgt, daß die sich periodisch ändernde Größe über alle Segmente möglichst genau und gleichmäßig erfolgt.
9. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Lastsignal über ein Segment integriert wird, zur Ermittlung der pro Arbeitstakt angesaugten Luftmenge.
10. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3 oder 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung des kurbelwellenwinkelabhängigen Signales eine Inkrementscheibe, die mit der Kurbel- oder Nockenwelle in Verbindung steht, abgetastet wird und die Scheibe eine Vielzahl von
Markierungen aufweist, wobei eine vorgebbare Zahl von Markierungen sich über einen.Winkelbereich α^ erstreckt, der einer Segmentlänge entpricht.
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