DE19804327B4

DE19804327B4 - Verfahren zur genauen Drehzahlerfassung

Info

Publication number: DE19804327B4
Application number: DE1998104327
Authority: DE
Inventors: Karl Ott; Michael Lehner; Klaus Ries-Mueller
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1998-02-04
Filing date: 1998-02-04
Publication date: 2006-11-09
Anticipated expiration: 2018-02-05
Also published as: DE19804327A1

Abstract

Verfahren zur genauen Drehzahlerfassung eines Brennkraftmotors mit einer Geberscheibe (1), die mit einer mit dem Motor drehenden Welle verbunden ist, und die eine Anzahl von annähernd äquidistanten Markierungen (2) aufweist, die von einem Aufnehmer (3) abtastbar sind, wobei die Geberscheibe gegenüber der Welle eine Exzentrizität (±x) aufweist, mit folgenden Schritten:
a) ein Ermittlungsschritt ermittelt, ob sich der Motor im Schubbetrieb befindet,
b) dann erfaßt ein Erfassungsschritt ausgehend von einem Bezugszeitpunkt die Zeitpunkte des Beginns und/oder Endes jeder Markierung durch die Auswertung eines von dem Aufnehmer abgegebenen Signals, und
c) ein Kompensationsschritt führt eine Dynamikkompensation jedes einzelnen erfaßten Markierungszeitpunktes bezogen auf eine Umlaufzeit der Welle aus und bildet daraus einen kompensierten Faktor (F) für jede einzelne Markierungszeit,
dadurch gekennzeichnet, daß
d) ein Mittelwertbildungsschritt einen Mittelwert aller im Schritt c) gebildeten Faktoren (F) bildet,
e) ein erster Extraktionsschritt den maximalen Exzentrizitätsfehler durch Extraktion der Faktoren (F)...

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur genauen Erfassung der Drehzahl eines Brennkraftmotors in Übereinstimmung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.

Ein derartiges Verfahren ist aus der DE 41 33 679 A1 bekannt. Dieses bekannte Verfahren zielt im Wesentlichen darauf ab, fertigungsbedingte Toleranzen der jeweiligen Abstände von Winkelsegmentflanken zu kompensieren, so dass, auch wenn die Winkelsegmente nicht besonders exakt gefertigt sind, nach erfolgter Kompensation der einzelnen durch die Abtastung der Segmente erfassbaren Impulsabstände die Drehzahl sehr genau bestimmt werden kann. Die mit Hilfe dieser Kompensation korrigierten Drehzahlwerte werden bei dem bekannten Verfahren zu einer zuverlässigen Aussetzererkennung aufgrund der bei Aussetzern auftretenden Drehzahlschwankungen des Motors verwendet.

Aus der DE 19 622 448 A1 ist ein weiteres Verfahren zur Erkennung von Verbrennungsaussetzern bei mehrzylindrischen Brennkraftmaschinen bekannt, bei dem ein Maß für die Laufunruhe der Brennkraftmaschine für jeden Zylinder individuell gebildet und mit einem vorbestimmten Referenzwert verglichen wird. Dieses Maß für die Laufunruhe wird auf der Basis von Zeiten gebildet, in denen die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine vorbestimmte Winkelbereiche überstreicht, und eine Überschreitung des Referenzwerts wird als Aussetzer gewertet.

Als ein wesentlicher Einfluss auf die Exaktheit der Drehzahlerfassung ist eine Exzentrizität der Geberscheibe in Bezug auf die sie antreibende Motorwelle zu betrachten. In der beiliegenden 1 ist eine Geberscheibe 1 dargestellt, die an ihrer Peripherie Markierungen in Form vieler annähernd äquidistanter Zähne 2 hat. Gegenüber der Peripherie der Geberscheibe 1 ist ein Aufnehmer 3 unter Einhaltung eines Luftspaltes LS starr angeordnet. Die Mitte der Scheibe 1 hat gegenüber dem Drehpunkt eine Exzentrizität von ±x. (Die Exzentrizität der Geberscheibe ist in 1 stark übertrieben dargestellt.) Dadurch variiert auch der Abstand der Peripherie der Scheibe 1 von der Stirnseite des Aufnehmers 3, das heißt die Größe des Luftspaltes LS zwischen einem Maximalwert LS_max und einem Minimalwert LS_min jeweils um +x oder –x. Der dabei entstehende Winkelfehler kann leicht 0,5° KW betragen. (Vgl. 2 in der der maximale Winkelfehler in ° KW abhängig von der Exzentrizität dreier Geberscheiben aufgetragen ist.)

Die DE 195 40 674 A1 zeigt eine Bestimmung eines Korrekturfaktors für jeden einzelnen Zahn oder jedes Segment des Geberrades bei der Messung der Winkelgeschwindigkeit, der sowohl Herstellungstoleranzen, Exemplarstreuungen als auch unzentrische Lagerung des Geberrades auf der Welle berücksichtigt. Außerdem gleicht der Korrekturfaktor das von Kolben und Pleuel verursachte Massenmoment aus. In einem Adaptionsalgorithmus wird die periodische Störung durch das von den sich ändernden Zylinderdrücken verursachte Gasmoment und das von der Straße rückwirkende Moment berücksichtigt.

Aus der DE 41 33 679 A1 ist ein Verfahren zur Korrektur mechanischer Toleranzen eines Geberrades, das auf der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine befestigt ist, bekannt. Dieses Geberrad weist an seiner Oberfläche eine Anzahl von Winkelmarken auf, die bei rotierender Kurbelwelle am Aufnehmer vorbeilaufen. Die im Aufnehmer erzeugten elektrischen Impulse spiegeln im Wesentlichen die Oberfläche des Geberrades wieder. Die zeitlichen Abstände vorgebbarer Impulsflanken (Rückflanken oder Vorderflanken) werden üblicherweise zur Drehzahlbestimmung ausgewertet. Im Schubbetrieb der Brennkraftmaschine, also bei etwa konstanter Drehzahl werden aufeinander folgende zeitliche Abstände miteinander verglichen. Die erhaltenen Zeitintervalldifferenzen werden durch die mechanischen Toleranzen des Geberrades bzw. der Abstände zwischen einzelnen Winkelmarken verursacht. Diese Zeitintervalldifferenzen werden im Steuergerät der Brennkraftmaschine abgespeichert und bei den nächsten Drehzahlermittlungen berücksichtigt. Durch die so erhaltene Kompensation der von den Fertigungstoleranzen verursachten Ungenauigkeiten läßt sich die Drehzahl der Kurbelwelle besonders genau bestimmen. Diese Bestimmung ist so genau und kann so schnell durchgeführt werden, daß Drehzahlschwankungen, die in Folge von ungleich starken Verbrennungen in verschiedenen Zylindern verursacht werden, erkannt werden können. Durch Vergleich solcher Drehzahlschwankungen mit einem Schwellwert kann ein Maß für die Laufruhe bzw. die Laufunruhe der Brennkraftmaschine gewonnen werden.

Kurze Darstellung der Erfindung

Es ist Aufgabe dieser Erfindung, das aus der gattungsbildenden Druckschrift bekannte Verfahren weiterzubilden und ein Verfahren zur exakten Drehzahlerfassung unabhängig von der Exzentrizität der Geberscheibe zu ermöglichen.

Die obige Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren zur genauen Drehzahlerfassung eines Brennkraftmotors mit einer Geberscheibe, die mit einer mit dem Motor drehenden Welle verbunden ist, und die eine Anzahl von annähernd äquidistanten Markierungen aufweist, die von einem Aufnehmer abtastbar sind, wobei die Geberscheibe gegenüber der Welle eine Exzentrizität aufweist, mit folgenden Schritten:

a) ein Ermittlungsschritt ermittelt, ob sich der Motor im Schubbetrieb befindet,
b) dann erfaßt ein Erfassungsschritt ausgehend von einem Bezugszeitpunkt die Zeitpunkte des Beginns und/oder Endes jeder Markierung durch die Auswertung eines von dem Aufnehmer abgegebenen Signals, und
c) ein Kompensationsschritt führt eine Dynamikkompensation jedes einzelnen erfaßten Markierungszeitpunktes bezogen auf eine Umlaufzeit der Welle aus und bildet daraus einen kompensierten Faktor für jede einzelne Markierungszeit, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
d) ein Mittelwertbildungsschritt einen Mittelwert aller im Schritt c) gebildeten Faktoren bildet,
e) ein erster Extraktionsschritt den maximalen Exzentrizitätsfehler durch Extraktion der Faktoren ermittelt, die genau dem in Schritt d) gebildeten Mittelwert entsprechen,
f) einzweiter Extraktionsschritt die nicht zu korrigierenden Markierungszeiten, die keine durch die Scheibenexzentrizität verursachte Abweichung haben, durch Halbierung des zeitlichen Abstandes bzw. Winkelabstandes zwischen den im ersten Extraktionsschritt extrahierten Faktoren extrahiert, und
g) ein Korrekturschritt die abweichenden Zeitpunkte in positiver oder negativer Richtung korrigiert, die daraufhin die genaue Drehzahl wiedergeben.

Mit Hilfe der oben angegebenen erfindungsgemäßen Verfahrensschritte läßt sich eine exakte Drehzahlerfassung unabhängig von der Exzentrizität der Geberscheibe erreichen. Damit können auch die Fertigungstoleranzen bei der Fertigung der Geberscheibe ausgeweitet werden. Die Geberscheibe muß demnach kein besonderes Präzisionsteil mehr sein. Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich mit elektronischen Mitteln während des Normalbetriebs, nämlich im Schubbetrieb des Motors ausführen und bedarf keiner vorherigen Eichung.

Das hier vorgeschlagene Verfahren läßt sich besonders bei Dieselmotoren zur exakten Erfassung des Spritzbeginns anwenden, der für den Spitzendruck und die Abgaswerte entscheidend ist. Hier ist besonders eine hochaufgelöste exakte Drehzahlerfassung des Motors gefordert, wie dies die Erfindung leistet.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Verfahrensschritte und Maßnahmen werden zusätzliche Vorteile des im Patentanspruch 1 spezifizierten Verfahrens erzielt.

Zeichnung
Die Zeichnungsfiguren zeigen im einzelnen:
1 schematisch mechanische Beziehungen einer auf einer Motorwelle montierten und exzentrisch drehenden Geberscheibe und eines gegenüber ihrer Peripherie im Abstand montierten Aufnehmers, wobei die Exzentrizität stark übertrieben dargestellt ist
2 graphisch den sich bei drei Geberscheiben mit unterschiedlichen Radien einstellenden Winkelfehler in Grad Kurbelwinkel abhängig von dem Abstand vom Drehpunkt zum Scheibenmittelpunkt; und
3 Meßwerte von Winkelabweichungen jedes Zahns (Zahnzeiten) eines (60-2)-Zähnerads in Form eines im erfindungsgemäßen Verfahren weiter verarbeiteten Kompensationsfaktors.
Ausführungsbeispiel
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Beispielhaft vorausgesetzt ist eine auf der Kurbelwelle des Motors montierte Geberscheibe, deren Umfang in 60 Zahninkremente eingeteilt ist, wobei zwei Zähne an einer bestimmten Winkelposition zur Vorgabe eines Referenzwinkels weggelassen sind. Dies nennt man ein (60-2)-Zähnerad. Es muß jedoch ausdrücklich bemerkt werden, daß das von der Erfindung vorgeschlagene Verfahren nicht auf eine derartige Geberscheibe beschränkt ist, sondern so vielseitig ist, daß es Exzentrizitäten und Drehzahlschwankungen von andersartigen Geberscheiben, z.B. solchen, die mehr oder weniger Zähne an ihrer Peripherie haben und auch Exzentrizitäten von durch andersartige physikalische Prinzipien abgetasteten Geberscheiben kompensieren kann.
In 3 zeigen die durch Quadrate dargestellten Punkte Winkelabweichungen F in Grad Kurbelwinkel jedes einzelnen Zahns einer beispielhaft als 60-2-Zähnerad gestalteten Geberscheibe und zwar über eine vollständige Kurbelwellenumdrehung. Diese Winkelabweichungen von dem durch 0° repräsentierten Sollwert werden durch folgende Schritte ermittelt:
Zunächst wird ermittelt, ob sich der Motor im Schubbetrieb befindet; dann erfaßt ein Erfassungschritt ausgehend von einer willkürlich gewählten Bezugsflanke (z.B. einer negativen Bezugsflanke) die Zeitpunkte des Beginns und/oder Endes jeder Markierung, d.h. jedes Zahns. Die Zeiten der Zähne in der Lücke (siehe die Überschwinger) werden unter Bezug auf die Zeitpunkte der Nachbarzähne interpoliert. Dann werden die so erfaßten Zahnzeiten einer Dynamikkompensation unterworfen. Unter Bezug auf die Umlaufzeit einer Kurbelwellenumdrehung entsteht so ein Abweichungsfaktor F für die Zeit jeder Zahnflanke (positive und/oder negative Zahnflanke).
Dieser kompensierte Faktor F ist in 3 in Form einer Abweichung von einem Sollwert aufgetragen (Einheit 0,075° KW). Die quadratischen Punkte ☐ geben die Winkelabweichung vom 0°-Wert vor dem Eingang eines nicht näher dargestellten und erläuterten Steuergeräts und die durch kleine Kreise O bezeichneten Punkte die Winkelabweichung vom 0°-Wert am Ausgang dieses Steuergeräts an. Der in 3 dargestellte Verlauf der Winkelabweichungen vom Sollwert (0°) über eine gesamte Kurbelwellenumdrehung zeigt eine Gesamtwinkelabweichung von ungefähr 0,2° und 0,15°, also insgesamt 0,35° KW.
Der Verlauf der in 3 dargestellten Kurve der Winkelabweichungen gibt deutlich die durch die exzentrische Lagerung der Geberscheibe 1 bewirkte periodische Fluktuation wieder, die annähernd sinusförmig ist. Zur Ermittlung eines exakten Drehzahlwertes wird nun erfindungsgemäß ein Mittelwert aller durch die Dynamickompensation gebildeter Abweichungsfaktoren gebildet. Dabei sind die Zähne, deren Faktor F dem Mittelwert entspricht, mit dem maximalen Exzentrizitätsfehler behaftet.
Mit einem ersten Extraktionsschritt wird der maximale Fehler durch die Extraktion der Faktoren F, die genau dem gebildeten Mittelwert entsprechen, ermittelt. Dann erfolgt ein zweiter Extraktionsschritt, der die nicht zu korrigierenden Zahnzeiten oder Faktoren F, die keine durch die-Scheibenexzentrizität verursachte Abweichung haben, durch Halbieren des zeitlichen Abstandes oder Winkelabstandes zwischen den im ersten Extraktionsschritt extrahierten Abweichungsfaktoren extrahiert. Diese Zahnzeiten bzw. Faktoren benötigen keine Korrektur, da sie exakt stimmen. Der Grund dafür ist, daß bei kleinstem und größtem Luftspalt LS_min und LS_max (siehe 1) der Winkelfehler gleich 0 ist.
Schließlich werden die restlichen Zahnzeiten entsprechend in positiver oder negativer Richtung korrigiert. Die auf diese Weise Exzentrizitäts-korrigierten Zahnzeiten geben jeweils die exakte Drehzahl in jedem Winkelinkrement über eine Umdrehung der Kurbelwelle wieder.
Zu erwähnen ist noch; daß der gesamte Winkelbereich der Geberscheibe in Segmente aufgeteilt sein kann, wie sie in 3 durch die eingezeichneten Segmentgrenzen ausgegeben sind. Das heißt, daß die der Messung in 3 zugrundeliegende Geberscheibe 1 in zwei diese halbierende 180°-Segmente eingeteilt war.

Claims

Verfahren zur genauen Drehzahlerfassung eines Brennkraftmotors mit einer Geberscheibe (1), die mit einer mit dem Motor drehenden Welle verbunden ist, und die eine Anzahl von annähernd äquidistanten Markierungen (2) aufweist, die von einem Aufnehmer (3) abtastbar sind, wobei die Geberscheibe gegenüber der Welle eine Exzentrizität (±x) aufweist, mit folgenden Schritten: a) ein Ermittlungsschritt ermittelt, ob sich der Motor im Schubbetrieb befindet, b) dann erfaßt ein Erfassungsschritt ausgehend von einem Bezugszeitpunkt die Zeitpunkte des Beginns und/oder Endes jeder Markierung durch die Auswertung eines von dem Aufnehmer abgegebenen Signals, und c) ein Kompensationsschritt führt eine Dynamikkompensation jedes einzelnen erfaßten Markierungszeitpunktes bezogen auf eine Umlaufzeit der Welle aus und bildet daraus einen kompensierten Faktor (F) für jede einzelne Markierungszeit, dadurch gekennzeichnet, daß d) ein Mittelwertbildungsschritt einen Mittelwert aller im Schritt c) gebildeten Faktoren (F) bildet, e) ein erster Extraktionsschritt den maximalen Exzentrizitätsfehler durch Extraktion der Faktoren (F) ermittelt, die genau dem in Schritt d) gebildeten Mittelwert entsprechen, f) ein zweiter Extraktionsschritt die nicht zu korrigierenden Markierungszeiten, die keine durch die Scheibenexzentrizität verursachte Abweichung haben, durch Halbierung des zeitlichen Abstandes bzw. Winkelabstandes zwischen den im ersten Extraktionsschritt extrahierten Faktoren extrahiert, und g) ein Korrekturschritt die abweichenden Zeitpunkte in positiver oder negativer Richtung korrigiert, die daraufhin die genaue Drehzahl wiedergeben.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Geberscheibe (1) mit der Kurbelwelle des Motors verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Markierungen durch äquidistante Zähne (2) an der Peripherie der Geberscheibe (1) gebildet sind.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnehmer (3) ein induktiver Aufnehmer ist und unter einem einen Luftspalt (LS) bildenden Abstand gegenüber der Peripherie des Geberrades zur Erfassung der Zähne (2) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine einer bestimmten Anzahl von Zähnen entsprechende Lücke einmal zwischen den Zähnen vorgesehen ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin dem Schritt b) ein Interpolationsschritt folgt, der die Zahnzeiten in der Lücke auf Grund der Zahnzeiten benachbarter Zähne interpoliert.