DE102007006666A1

DE102007006666A1 - Verfahren und eine Vorrichtung zum Bereitstellen eines kurbelwinkelbezogenen Sensorsignals

Info

Publication number: DE102007006666A1
Application number: DE102007006666A
Authority: DE
Inventors: Werner Mayer; Michael Dr. Mladek; Josef Dr. Steuer
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2007-02-10
Filing date: 2007-02-10
Publication date: 2007-11-29

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bereitstellen eines kurbelwinkelbezogenen Sensorsignals zum Steuern des Betriebs eines Kraftfahrzeugs, bei welchen ein Sensorsignal einer Betriebsgröße des Kraftfahrzeugs und ein Kurbelwinkelsignal erfasst werden und daraus das kurbelwinkelbezogene Sensorsignal erzeugt wird, wobei zur Erhöhung der Genauigkeit des Kurbelwinkelbezugs aus einem aktuell erfassten Kurbelwinkelsignal und wenigstens einem zuvor erfassten Kurbelwinkelsignal ein Drehzahlgradient bestimmt wird und das kurbelwinkelbezogene Sensorsignal dann unter Verwendung des so bestimmten Drehzahlgradienten korrigiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bereitstellen eines kurbelwinkelbezogenen Sensorsignals zum Steuern des Betriebs eines Kraftfahrzeugs. Die Steuerung des Betriebs des Kraftfahrzeugs umfasst dabei insbesondere die Ansteuerung seiner Aggregate Verbrennungsmotor, Kupplung, Starter-Generator, Getriebe, Bremseinrichtung, Fahrwerk und dergleichen.
Die steigenden Anforderungen an die Emissionen von Verbrennungsmotoren von Kraft- und Nutzfahrzeugen erfordern in zunehmendem Maße Steuerungsverfahren, die eine gezielte Beeinflussung des zeitlichen Verlaufs des Verbrennungsvorgangs beinhalten. Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft immer mehr Sensorinformationen integriert werden müssen, um die Potenziale der Beeinflussung des Verbrennungsvorgangs nutzen zu können. Hierzu ist es erforderlich, die Informationen über den Verbrennungsprozess mit einer vergleichbaren Genauigkeit und zeitlichen Auflösung wie die Ansteuerung moderner Einspritzsysteme zu erfassen. Damit eröffnet sich die Möglichkeit einer Ablösung der bezüglich Applikation aufwändigen, kennfeldgeführten Steuerung der Verbrennung durch eine Regelung auf der Basis von Brennrauminformationen.
Um einen Verbrennungsmotor zu regeln, sind der Kurbelwinkel und die daraus abgeleitete Drehzahl unverzichtbare Eingangsgrößen des Motorsteuergeräts. Für die Erfassung des Kurbelwinkels ist die Verwendung von Geberrädern bekannt, die auf der Kurbelwelle positioniert sind und deren Zahnflanken über Induktiv- oder Hallsensoren erfasst werden. Das Motorsteuergerät wertet dabei üblicherweise die fallende Flanke des Sensorsignals aus.
Als Bezugsmarke verfügen solche Geberräder zum Beispiel über eine oder mehrere Zahnlücken oder fehlende Lücken. Bei der Anmelderin kommen beispielsweise Geberräder mit 58 Zähnen und einer 2 Zähne umfassenden Lücke zum Einsatz (so genannte 60-2 Geberräder). Das Motorsteuergerät erkennt die (fehlende) Lücke und verfügt somit zusätzlich zu den 6°-Impulsflanken (360°/60) alle 360° über eine absolute Winkelmarke. Außerdem werden im Motorsteuergerät die fehlenden Flanken während der Zahnlücke durch Software-Algorithmen zum Beispiel durch Interpolation „nachgebildet", um auch in diesem Bereich Sensorsignalumsetzungen, Aktoransteuerungen o.dgl. anstoßen zu können. Weiter ist es möglich, die Auflösung der Kurbelwinkelerfassung zwischen zwei Zahnflanken durch eine Impulsvervielfachung (z.B. mit einer PLL) von 6° auf zum Beispiel 0,1° zu erhöhen.
In der DE 102 37 221 A1 werden ein Verfahren und eine Vorrichtung beschrieben, bei denen eine Betriebskenngröße (z.B. der Brennraumdruck) mit hoher Auflösung zeitbasiert erfasst und mit Hilfe eines zeit- und winkelbasierten Kurbelwinkelsignals von geringer Auflösung unter Interpolation auf Kurbelwinkelbasis transformiert und dem OT des jeweiligen Zylinders in Vielfachen eines frei wählbaren Winkelinkrements zur Interpolation mit hoher Winkelauflösung zuordnet, wobei die Berücksichtigung von drehzahl- und/oder winkelabhängigen Korrekturwerten vorgesehen ist. Die Korrekturwerte werden bevorzugt in definierten Lastzuständen ohne durch den Betrieb bewirkte Drehzahlschwankungen, wie z.B. im Schubbetrieb, ermittelt. Die drehzahl- oder winkelabhängigen Korrekturwerte dienen daher nur der Korrektur von quasi-statischen Fehlern sowohl im Zeit- als auch im Winkelbereich (z.B. Zahnteilungsfehler, Filterlaufzeiten bzw. Phasengang, Verzögerungen auf Drehzahlgebersignal, A/D-Umsetzzeiten). Fehler aufgrund von Drehzahländerungen werden hier nicht berücksichtigt.
Die Fertigung und der Einbau von Geberrädern sind toleranzbehaftet. Insbesondere ein geometrischer Zahnteilungsfehler führt zu einem systematischen, für jedes Geberrad individuellen Drehzahlfehler. Die Korrektur dieser Geometriefehler des Geberrades wird zum Beispiel in „Kompensation des Geberradfehlers im Fahrbetrieb"" MTZ 7-8/2002, Jahrgang 63, Seiten 588-591, beschrieben. Eine durch Drehzahländerungen bzw. einen Drehzahlgradienten notwendige Korrektur der Sensorsignale ist durch diese Verfahren jedoch nicht möglich.
Weiter ist auch die Kompensation von drehzahlabhängigen Fehlern mittels Korrekturkennlinien bereits Stand der Technik. Ein Beispiel für eine drehzahlabhängige Winkelabweichung, die über eine Korrekturkennlinie kompensiert werden kann, offenbart zum Beispiel die Technische Kundenunterlage TKU, Positionsgeber Kurbelwelle, AB Typ 94 441, AB Elektronik GmbH 2003, S. 8(12).
Eine winkelorientierte Erfassung, Verwaltung und Auswertung von Sensorsignalen wird derzeit bei der Klopfsensorauswertung insbesondere bei Ottomotoren angewendet, wie dies zum Beispiel dem Datenblatt CC195, Bosch, S2, entnehmbar ist.
Ausgehend von dem vorgenannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bereitstellen eines kurbelwinkelbezogenen Sensorsignals zum Steuern des Betriebs eines Kraftfahrzeugs zu entwickeln, die eine verbesserte Genauigkeit des Kurbelwinkelbezugs der Sensorsignale erreichen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bereitstellen eines kurbelwinkelbezogenen Sensorsignals zum Steuern des Betriebs eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. 8 gelöst.
Zum Bereitstellen eines kurbelwinkelbezogenen Sensorsignals zum Steuern des Betriebs eines Kraftfahrzeugs werden zunächst parallel ein Sensorsignal einer Betriebsgröße des Kraftfahrzeugs und ein Kurbelwinkelsignal erfasst, und aus diesen wird das kurbelwinkelbezogene Sensorsignal erzeugt, das einer entsprechenden Steuerung zugeführt werden kann. Parallel wird aus einem aktuell erfassten Kurbelwinkelsignal und wenigstens einem zuvor erfassten Kurbelwinkelsignal ein Drehzahlgradient bestimmt, mit dessen Hilfe das erzeugte kurbelwinkelbezogene Sensorsignal korrigiert wird.
Durch diese Vorgehensweise ist es möglich, den absoluten Winkelbezug der Sensorsignale deutlich über die Genauigkeit und Auflösung herkömmlicher Kurbelwinkel-Gebersysteme hinaus zu steigern. Bei dieser Erhöhung der Genauigkeit der kurbelwinkelbezogenen Sensorsignale bleibt außerdem die zusätzliche Belastung eines Mikrorechners im Motorsteuergerät in akzeptablen Grenzen.
Die Sensorsignale werden üblicherweise über ein bestimmtes Winkelfenster (z.B. Bereich der Verbrennung im Zylinder) erfasst und en Block weiterverarbeitet (z.B. Berechnung von Verbrennungsmerkmalen). Die Berechnungsergebnisse fließen dann in die Ansteuerung der Aktorik (z.B. Zündung oder Einspritzung) ein. Die erfindungsgemäße Lösung erlaubt die Korrektur des Winkelbezugs der Sensorsignale in einem oder mehreren Nachbearbeitungsschritten. Dadurch wird der Winkelbezug der winkelsynchron erfassten Sensorsignale (z.B. Brennraumdruck, Klopfsensorsignal, Ionenstrom, ...) deutlich verbessert, was wiederum eine deutliche Verbesserung der Reproduzierbarkeit und Gleichstellung der Verbrennung in den einzelnen Zylindern des Verbrennungsmotors zur Folge hat. Dies führt schließlich zu einer Verbesserung des Motorwirkungsgrades und einer Reduzierung von Emissionen.
Obige sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten, nicht-einschränkenden Ausführungsbeispiels der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen besser verständlich. Darin zeigen:
1 ein schematisches Diagramm zur Erläuterung eines Abtastfehlers des Kurbelwinkelsignals bei Verwendung eines herkömmlichen Kurbelwinkel-Gebersystems;
2 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Korrektur des kurbelwinkelbezogenen Sensorsignals; und
3 ein Blockschaltbild eines Aufbaus einer Vorrichtung zum Bereitstellen eines kurbelwinkelbezogenen Sensorsignals zum Steuern des Betriebs eines Kraftfahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Anhand von 1 wird zunächst beispielhaft ein Abtastfehler des Kurbelwinkelsignals erläutert, wie er sich bei einem herkömmlichen Kurbelwinkel-Gebersystem im Fall einer Drehzahländerung ergeben würde.
Auf der Abszisse ist der Kurbelwinkel in Grad aufgetragen, auf der linken Ordinate ist die Motordrehzahl in U/min aufgetragen, und auf der rechten Ordinate ist der Abtastfehler in Grad Kurbelwinkel (°KW) aufgetragen. Unterhalb dieses Diagramms ist zusätzlich ein erfasstes Kurbelwinkelsignal dargestellt. Im Motorsteuergerät wird üblicherweise anhand der aktuellen und der letzten Zahnflanke des Geberrades die aktuelle Motordrehzahl berechnet. Bei einem 60-2 Geberrad wird daher alle 6°KW ein neuer Drehzahlwert berechnet (siehe Zahnsegment A von 6°KW), ausgenommen in der Zahnlücke B von 18°KW.
Die Kurve a zeigt eine berechnete konstante Drehzahl von 1.590 U/min, die in der Zahnlücke zugrunde gelegt wird. Die Kurve b zeigt den tatsächlichen Drehzahlverlauf bei einem angenommenen Drehzahlgradienten von 4.000 rad/s² (entspricht ca. 230.000 °KW/s²) und einer Startmotordrehzahl von etwa 1.600 U/min bei 0°KW, und die Kurve c zeigt schließlich den sich ergebenden Abtastfehler.
Die Sensorsignale werden winkelsynchron mit einer Winkelauflösung von zum Beispiel 0,5°KW abgetastet. Der A/D-Signalumsetzer wird dabei üblicherweise von einem vom Geberrad abgeleiteten Signal (über Signalaufbereitung, Flankenerfassung, evt. Flankenkorrektur und Impulsvervielfachung) getriggert. Da nur alle 6°KW an einer abfallenden Zahnflanke ein neuer Drehzahlwert berechnet werden kann, verfälscht ein Drehzahlgradient den 0,5°KW-Winkelbezug der erfassten Sensorsignale.
Wie in 1 veranschaulicht, ergibt sich bei einem Drehzahlgradienten von 4.000 rad/s² und einem Zahnsegment von 6°KW ein maximaler Fehler im Winkelbezug der abgetasteten Sensorsignale von etwa 0,1°KW (entspricht einem Fehler von 20%). In der Zahnlücke B von 18°KW ergibt sich dagegen ein maximaler Fehler im Winkelbezug der abgetasteten Sensorsignale von über 0,5°KW, was einem Fehler von 100% entspricht.
2 zeigt in einem Zeitablaufdiagramm schematisch die drehzahlgradienten-abhängige Korrektur des Winkelbezugs von Sensorsignalen gemäß der vorliegenden Erfindung.
Im Motorsteuergerät werden auf der Basis der jeweils letzten beiden Zahnflanken des Geberrades die aktuelle Drehzahl und der Drehzahlgradient berechnet, und durch eine Impulsvervielfachung wird die Auflösung der Kurbelwinkelerfassung erhöht. Mit diesem System der Erfindung ist es möglich, bei Verwendung eines 60-2 Geberrades zum Beispiel alle 0,5°KW ein Sensorsignal zu erfassen oder den Einspritzbeginn mit einer Auflösung von zum Beispiel 0,5°KW anzusteuern.
Da die Motordrehzahl bei herkömmlichen Kurbelwinkel-Gebersystemen erst im nachfolgenden Zahnsegment berechnet werden kann, ist eine Korrektur des Winkelbezugs der Sensorsignale unmittelbar nach Abtastung der Sensorsignale nicht möglich. Es ist lediglich möglich, die Motordrehzahl von vorangegangenen Zahnsegmenten für die Korrektur der Abtastzeitpunkte heranzuziehen. Bei abrupten Änderungen der Motordrehzahl kann jedoch der Fehler größer als bei nicht korrigierenden Verfahren werden.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung werden im Gegensatz dazu jedoch die Kurbelwinkelsignale abgetastet und gespeichert.
Nach jeder Zahnflanke wird unter Berücksichtigung der letzten Zahnflanke der Drehzahlgradient für das entsprechende Zahnsegment berechnet. Aus dem Drehzahlgradienten (und ggf. weiteren Werten) wird ein Korrekturwert für den Winkelbezug der abgetasteten Sensorsignale ermittelt, und die im entsprechenden Zahnsegment abgetasteten Sensorsignale werden z.B. durch lineare Interpolation korrigiert und können dann zur weiteren Verarbeitung (z.B. Berechnung von Verbrennungsmerkmalen) herangezogen werden.
Da die kurbelwinkelbezogenen Sensorsignale (beispielsweise Klopf-, Zylinderdruck- oder Ionenstromsignale) üblicherweise zunächst als Block erfasst und als Vektor weiterverarbeitet werden, stellt die erfindungsgemäße Lösung ein einfaches, Rechenzeit und Ressourcen schonendes Verfahren dar, das problemlos in Mikrorechnern heutiger Motorsteuergeräte implementiert werden kann, ohne dass ein aufwändigeres Geberradsystem mit größerer Auflösung zur Erfassung des Kurbelwinkels erforderlich wäre.
In 3 ist ein Aufbau einer Vorrichtung zum Durchführen des oben beschriebenen Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung als Blockschaltbild dargestellt.
Die Bezugsziffer 10 bezeichnet ein Motorsteuergerät für einen Verbrennungsmotor (nicht dargestellt) eines Kraft- oder Nutzfahrzeugs. Diesem Motorsteuergerät 10 werden von entsprechenden Winkelsensoren 12 erfasste Kurbelwinkelsignale eingegeben, die zunächst in einer Signalaufbereitungseinrichtung 14 zur weiteren Auswertung aufbereitet werden. In einer Flankenerfassungseinrichtung 16 werden die Zahnflanken der erfassten Kurbelwinkelsignale erfasst; es folgt optional eine Flankenkorrektur 18 und eine Impulsvervielfachung 20. Aus den so bearbeiteten Kurbelwinkelsignalen wird in einer Berechnungseinrichtung 22 eine aktuelle Drehzahl berechnet, welche an die Steuerung 24 weitergegeben wird.
Neben der Berechnung der aktuellen Drehzahl erfolgt in einer weiteren Berechnungseinrichtung 26 auch eine Berechnung eines aktuellen Drehzahlgradienten, wie oben im Detail erläutert, welcher dann der Steuerung 24 zugeführt und in einem Speicher 28 gespeichert wird.
Parallel zur Erfassung der Kurbelwinkelsignale durch die Winkelsensoren 12 erfassen verschiedene Motorsensoren 30 verschiedene Sensorsignale von Betriebsgrößen des Kraftfahrzeugs (z.B. Klopfsignale, Brennraumdrucksignale, Ionenstromsignale, usw.). Diese Sensorsignale werden zunächst in einer Signalaufbereitungseinrichtung 32 aufbereitet, bevor sie einem A/D-Signalumsetzer 34 zugeführt und in einem Speicher 36 gespeichert werden. In diesem Speicher 36 werden außerdem die Kurbelwinkelsignale gespeichert, die eine Winkelzuordnung der gespeicherten Sensorsignale der Motorsensoren 30 ermöglichen.
Die kurbelwinkelbezogenen Sensorsignale aus dem Speicher 36 werden einer Korrektureinrichtung 38 zugeführt, in der sie unter Verwendung des bestimmten Drehzahlgradienten, der aus dem Speicher 28 zugeführt wird, in der oben erläuterten Weise korrigiert werden. Aus den so korrigierten, kurbelwinkelbezogenen Sensorsignalen werden dann in einer weiteren Berechnungseinrichtung 40 zum Beispiel Verbrennungsmerkmale des Verbrennungsmotors berechnet, welche schließlich ebenfalls der Steuerung 24 zugeführt werden.
Der Steuerung 24 nachgeschaltet, enthält das Motorsteuergerät 10 in bekannter Weise Endstufen 42, die schließlich verschiedene Aktoren 44 des Verbrennungsmotors entsprechend den in der Steuerung 24 ausgewerteten kurbelkwinkelbezogenen Sensorsignalen ansteuern.
Die oben anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen erläuterte Erfindung zeichnet sich darüber hinaus auch durch die folgenden Punkte aus:

(1) Drehzahl und Drehzahlverlauf (Drehzahlgradient) werden zur Berechnung von Korrekturwerten für die Sensorsignale erfasst und gespeichert.
(2) Die Motordrehzahl und/oder der Drehzahlgradient können über ein oder mehrere Zahnsegmente des Geberrades berechnet oder Bemittelt werden.
(3) Die Korrektur des Winkelbezugs der abgetasteten Sensorsignale erfolgt nach jedem Zahnsegment oder wahlweise erst am Ende eines ganzen Messfensters (z.B. 180°KW).
(4) Eine Kompensation von nicht drehzahlabhängigen Fehlerfaktoren (z.B. Filterlaufzeiten bzw. Phasengang, Verzögerungen des Drehzahlgebersignals, A/D-Signalumsetzzeiten, usw.) ist zusätzlich und einfach möglich.
(5) bei weniger hohen Anforderungen an die Genauigkeit oder bei Problemen mit der Rechnerauslastung kann das Verfahren zur Korrektur des Winkelbezugs von Sensorsignalen auch nur im Bereich der Zahnlücke angewendet werden, d.h. in dem Bereich, in dem der größte Fehler auftritt.
(6) Es können auch Sensorsignale korrigiert werden, die zeitbasiert erfasst und anschließend auf Kurbelwinkelbasis transferiert wurden.

Claims

Verfahren zum Bereitstellen eines kurbelwinkelbezogenen Sensorsignals zum Steuern des Betriebs eines Kraftfahrzeugs, bei welchem ein Sensorsignal einer Betriebsgröße des Kraftfahrzeugs und parallel ein Kurbelwinkelsignal erfasst werden und daraus das kurbelwinkelbezogene Sensorsignal erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem aktuell erfassten Kurbelwinkelsignal und wenigstens einem zuvor erfassten Kurbelwinkelsignal ein Drehzahlgradient bestimmt wird und das kurbelwinkelbezogene Sensorsignal unter Verwendung des so bestimmten Drehzahlgradienten korrigiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehzahl und ein Drehzahlgradient zur Berechnung eines Korrekturwertes für das Sensorsignal erfasst und gespeichert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl und/oder der Drehzahlgradient über ein oder mehrere Zahnsegmente des Geberrades berechnet oder gemittelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrektur des Sensorsignals nach jedem Zahnsegment erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrektur des Sensorsignals am Ende eines ganzen Messfensters erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrektur des Sensorsignals nur im Bereich der Zahnlücke angewendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kompensation von nicht drehzahlabhängigen Fehlerfaktoren durchgeführt wird.
Vorrichtung zum Bereitstellen eines kurbelwinkelbezogenen Sensorsignals zum Steuern des Betriebs eines Kraftfahrzeugs, mit einer Messvorrichtung (30) zum Erfassen eines Sensorsignals einer Betriebsgröße des Kraftfahrzeugs, einer Messvorrichtung (12) zum Erfassen eines Kurbelwinkelsignals und einer Sensorsignalerzeugungseinrichtung (36) zum Erzeugen des kurbelwinkelbezogenen Sensorsignals aus dem erfassten Sensorsignal und dem erfassten Kurbelwinkelsignal, gekennzeichnet durch einen Speicher zum Speichern des erfassten Kurbelwinkelsignals, einer Drehzahlgradientenberechnungseinrichtung (26) zum Bestimmen eines Drehzahlgradienten aus einem aktuell erfassten Kurbelwinkelsignal und wenigstens einem zuvor erfassten Kurbelwinkelsignal, und einer Korrektureinrichtung (38) zum Korrigieren des kurbelwinkelbezogene Sensorsignals unter Verwendung des so bestimmten Drehzahlgradienten.