DE102007024416B4

DE102007024416B4 - Verfahren und Einrichtung zum Ermitteln eines Drehparameters einer Kurbelwelle

Info

Publication number: DE102007024416B4
Application number: DE200710024416
Authority: DE
Inventors: Erwin Bauer; Dietmar Ellmer
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2007-05-25
Filing date: 2007-05-25
Publication date: 2012-01-05
Anticipated expiration: 2027-05-26
Also published as: DE102007024416A1

Abstract

Verfahren zum Ermitteln eines aktuellen und/oder eines künftigen Drehparameters (N100, P100, ω100, α100) einer Kurbelwelle (100) einer Brennkraftmaschine (1) eines Fahrzeuges, wobei von einer Steuereinrichtung (400) ein Drehparameter (N200, P200, ω200, α200) einer Nockenwelle (200) bestimmt wird, und über einen gegebenen funktionalen Zusammenhang (f) eines Drehparameters (N200, P200, ω200, α200) der Nockenwelle (200) mit einem Drehparameter (N100, P100, ω100, α100) der Kurbelwelle (100) wenigstens ein Drehparameter (N100, P100, ω100, α100) der Kurbelwelle (100) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln eines Drehparameters (N100, P100, ω100, α100; N200, P200, ω200, α200) durch eine Sekundärprädiktion (SP), welche Nockenwellensignale (NW) verarbeitet, und eine Primärprädiktion (PP) erfolgt, welche die Nockenwellensignale (NW) und/oder wenigstens ein zusatzliches Signal (V, ABS, PV, TPS, MAF, MAP, BLS, CS, Z) verarbeitet, welches der Steuereinrichtung (400) zur Verfugung steht, und beim Ermitteln eines Drehparameters (N100, P100, ω100, α100; N200, P200, ω200, α200) eine Gewichtung (X) von Sekundärprädiktion (SP) und von...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln und eine Einrichtung zur Ermittlung eines aktuellen und/oder eines künftigen Drehparameters einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine.
Die Drehzahl bzw. die Position der Kurbelwelle gehört zu den elementaren Größen bei der Motorsteuerung moderner Brennkraftmaschinen. Einspritzung, Zündung (Ottomotoren) sowie eine Vielzahl weiterer Funktionen sind unmittelbar an die Kurbelwellendrehzahl und die Kurbelwellenposition gekoppelt.
Bei Brennkraftmaschinen werden die Ein- und Auslassventile der Zylinder üblicherweise durch eine mit der Kurbelwelle mechanisch gekoppelte Nockenwelle geöffnet und wieder geschlossen. Die Einspritzventile für den Kraftstoff, sowie eine bei Ottomotoren vorhandene Zündung werden jedoch im Allgemeinen nicht mechanisch, sondern elektronisch durch ein Motorsteuergerät (ECU = Engine Control Unit) gesteuert. Um die Einspritzzeitpunkte und die für Ottomotoren wichtigen Zündungszeitpunkte für den jeweiligen Zylinder berechnen zu können, muss der Motorsteuerung zu jeder Zeit eine Drehposition der Kurbelwelle bekannt sein. Ferner muss bei einem Start der Brennkraftmaschine zunächst eine aktuelle Kurbelwellenposition bestimmt werden, bevor eine erste Zündung erfolgen kann.
Im Stand der Technik erfolgt eine Positions- und Drehzahlerfassung der Kurbelwelle mit einem 60-2 Zähnerad (Kurbelwellengeberrad) an der Kurbelwelle, und einem Kurbelwellensensor, der meist induktiv oder nach dem Hallprinzip arbeitet. Siehe hierzu auch 3 und den zugehörigen Abschnitt in der Figurenbeschreibung, wobei in 3 aus Gründen der Übersichtigkeit weniger als 60-2 Zähne am Kurbelwellengeberrad dargestellt sind.
Hierbei sind 60 Zähne gleichmäßig über einen Umfang des Kurbelwellengeberrads verteilt, wobei die fehlenden beiden Zähne eine Referenzlücke bilden, die einen Bezug zum oberen Totpunkt (OT) von Zylinder eins der Brennkraftmaschine schaffen. Um bei 4-Takt-Motoren unterscheiden zu können, ob es sich um einen Zünd-OT oder einen Ladungswechsel-OT handelt, ist an der Nockenwelle ein Nockenwellensensor verbaut, der im Zusammenwirken mit einem Nockenwellengeberrad an der Nockenwelle hierüber Aufschluss gibt. Das Nockenwellengeberrad zur Erfassung der Kurbelwellenposition ist als sogenannte Halbmondkonstruktion ausgeführt, sodass das pro Umdrehung der Nockenwelle lediglich eine steigende und eine fallende Flanke der Halbmondkonstruktion detektiert werden, was den technischen Ansprüchen jedoch genügt.
Durch das 60-2 Zähnerad an der Kurbelwelle ist eine Auflösung der Kurbelwellenposition bis ca. 6° möglich. Durch eine Interpolation und/oder eine Extrapolation lässt sich eine Auflösung der Kurbelwellenposition bis auf ca. 0,1° ohne zu große Fehler erreichen, was den technischen Ansprüchen im Bezug auf Einspritzung und Zündung (Ottomotoren) in der Regel genügt.
Im Stand der Technik ist eine Erfassung eines Drehparameters (u. a. Drehzahl, Winkelposition) einer Kurbelwelle technisch aufwändig und eine Einrichtung hierfür benötigt bei den beengten Verhältnissen in einer Brennkraftmaschine relativ viel Platz. Darüber hinaus sind diese Systeme aufgrund der Verwendung von zwei Wellensensoren technisch anfälliger gegenüber Ausfällen und vergleichsweise teuer bei der Herstellung, Montage und Wartung.
Aus DE 102 34 949 C1 ist ein Verfahren bekannt, um bei Ausfall des Kurbelwellensensors die OT-Winkelpositionen der Kurbelwelle mittels eines Nockenwellensignals zu bestimmen. Hierbei werden die Winkelmarken des Nockenwellensignals zum Erkennen der OT-Winkelpositionen der Kurbelwelle für eine Zylindergruppe verwendet, während anhand dieser Winkelmarken die anschließend erreichten OT-Winkelpositionen der Kurbelwelle für die andere Zylindergruppe abgeschätzt werden.
DE 103 59 927 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Erfassung der Winkelstellung einer Nockenwelle oder Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine. Die Vorrichtung weist ein Geberrad auf mit zwei in Umfangsrichtung verlaufenden Spuren, auf denen in regelmäßigen Abständen Winkelmarken und Informationsmarken angeordnet sind, die eine bestimmte Winkelstellung der Welle markieren.
DE 43 133 31 A1 betrifft ein Verfahren zur Auslösung von zur Winkellage eines rotierenden Teils abhängigen Steuersignalen. Das rotierende Teil weist – wie bei einem Zahnrad – über seinen Umfang verteilte Winkelmarken auf. Zur Erfassung der Winkellage des rotierenden Teils wird ein erster Geber verwendet, der bei Umlauf einer Winkelmarke ein Winkelmarkensignal abgibt. Die Winkelmarkensignale werden einem ersten Zähler zugeführt. Die Steuersignale werden in Abhängigkeit des Zählerergebnisses des ersten Zählers ausgelöst. Weiterhin ist ein zweiter Geber vorhanden, dessen Signale in einer festen Zuordnung zu den Winkelmarkensignalen des ersten Gebers stehen. Das ordnungsgemäße Auftreten von Winkelmarkensignalen wird während des Betriebes überprüft. Nach Erkennung des nicht ordnungsgemäßen Auftretens von Winkelmarkensignalen wird ein Notlauf gestartet, in dem aus der zeitlichen Abfolge der Signale des zweiten Gebers erste und zweite Werte zur Simulation von Winkelmarkensignalen berechnet werden. Der Zählerstand der zweiten Zählmittel wird mit den ersten und zweiten Werten verglichen. Bei Übereinstimmung des Zählerstandes der zweiten Zählmittel mit einem vorausberechneten ersten oder zweiten Wert werden Flanken von simulierten Winkelmarkensignalen erzeugt, die den ersten Zählmitteln zugeführt werden.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung ein verbessertes Verfahren zum Ermitteln eines aktuellen und/oder eines künftigen Drehparameters einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine zur Verfügung zu stellen. Ferner ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung dafür anzugeben. Das erfindungsgemäße Verfahren soll wenigstens eine ausreichende Genauigkeit beim Ermitteln eines Drehparameters der Kurbelwelle aufweisen. Ferner soll das Verfahren einerseits kostengünstig realisierbar sein und andererseits soll eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens wenig Bauraum benötigen und eine geringe Bauteilanzahl umfassen, sodass durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Einrichtung Kostenvorteile bei der Herstellung, der Montage und der Wartung entstehen.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren und eine Einrichtung zur Ermittlung eines aktuellen und/oder eines künftigen Drehparameters einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 bzw. nach Anspruch 28 gelöst.
Die erfindungsgemäße Einrichtung kommt ohne ein Kurbelwellengeberrad und ohne einen Kurbelwellensensor, sowie damit verbundener Einrichtungen aus, sodass ein Ermitteln eines Drehparameters der Kurbelwelle indirekt über eine Nockenwelle erfolgt. Hierbei ist gemäß der Erfindung an der Nockenwelle der Brennkraftmaschine ein als Zähnerad ausgebildetes Nockenwellengeberrad vorgesehen, dass von einem Nockenwellensensor abgetastet wird. Ein Signal des Nockenwellensensors wird einer Steuereinrichtung der Brennkraftmaschine zur Verfügung gestellt, welche aus den Signalen des Nockenwellensensors einen Drehparameter der Nockenwelle und daraus einen Drehparameter der Kurbelwelle, oder direkt aus den Signalen des Nockenwellensensors einen Drehparameter der Kurbelwelle ermittelt. D. h. erfindungsgemäß wird ein Drehparameter der Kurbelwelle indirekt über einen aufgenommenen Drehparameter der Nockenwelle bestimmt.
Dies ist dadurch möglich, dass es einen gegebenen, funktionalen Zusammenhang eines Drehparameters der Nockenwelle mit einem Drehparameter der Kurbelwelle gibt. Dieser gegebene funktionale Zusammenhang zwischen einem Drehparameter der Nockenwelle und einem Drehparameter der Kurbelwelle ist nahezu immer über eine feste Zuordnung von der Kurbelwelle zur Nockenwelle im Drehzahlverhältnis von 2:1 gegeben.
Unter Umständen kann zu bestimmten Zeiten dieses Verhältnis geringfügig variieren, wobei für einen solchen Fall eine Phasenverstelleinrichtung zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle vorgesehen ist, mittels welcher eine Phase zwischen der Kurbelwelle und der Nockenwelle verstellbar ist. Eine solche Phasenverstelleinrichtung arbeitet bevorzugt hydraulisch, wobei durch ein Variieren der Phase zwischen der Kurbelwelle und der Nockenwelle eine Ventilüberschneidung eines Einlassventils mit einem Auslassventil verändert werden kann.
Weist die Brennkraftmaschine zwei Nockenwellen auf, wobei nur eine mittels der Phasenverstelleinrichtung verstellbar ist, so ist bevorzugt die erfindungsgemäße Einrichtung an der Nockenwelle ohne Phasenverstelleinrichtung vorgesehen. Ferner ist die erfindungsgemäße Einrichtung bevorzugt an derjenigen Nockenwelle vorgesehen, welche eine geringere Neigung zu Drehschwingungen besitzt; in der Regel ist dies die Nockenwelle für die Einlassventile.
Ein Drehparameter der Kurbelwelle oder ein Drehparameter der Nockenwelle kann z. B. eine jeweilige Drehzahl, eine jeweilige Dreh-/Winkelposition, eine jeweilige Momentanposition, eine jeweilige Winkelgeschwindigkeit, eine jeweilige Winkelbeschleunigung und/oder eine Änderung einer jeweiligen Winkelbeschleunigung sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Nockenwellensensor als ein induktiver Sensor ausgebildet, der mit einem bevorzugt aus Eisen bestehenden Zahnrad zusammenwirkt. Die Zahnflanken der Zähne stehen hierbei bevorzugt radial vom Nockenwellengeberrad ab. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Nockenwellensensor als ein Hallsensor ausgebildet, der mit einem bevorzugt als Blendenrotor ausgebildeten Nockenwellengeberrad zusammenwirkt.
Aufgrund baulicher Gegebenheiten und einer zeitlichen Auflösung kann das Nockenwellengeberrad derzeit nicht wie das Kurbelwellengeberrad mit 60-2 Zähnen ausgebildet werden. Daher weist das Nockenwellengeberrad bevorzugt wenigstens ca. 8 und derzeit maximal ca. 25 bis 30 Zähne auf. Insbesondere ist das Nockenwellengeberrad als Zahnrad oder Blendenrotor ausgebildet und bei derzeitigen Anwendungen in Brennkraftmaschinen mit 16-1 Zähnen ausgerüstet. Je nach zukünftigen Anwendungen (zur Verfügung stehender Bauraum, Auflösungsvermögen des Nockenwellensensors) ist es natürlich möglich, eine beliebige Anzahl von Zähnen am Nockenwellengeberrad vorzusehen. Solange eine Signalgüte des Nockenwellensensors nicht zu stark darunter leidet, ist es bevorzugt, möglichst viele Zähne (> 30) am Nockenwellengeberrad vorzusehen.
Um wenigstens dieselbe oder eine ähnliche Genauigkeit beim Ermitteln eines Drehparameters der Kurbelwelle zu erhalten, werden erfindungsgemäß zusätzliche, zur Verfügung stehende Signale für eine Verlaufsermittlung eines Drehparameters herangezogen. Mit einem Verlauf eines Drehparameters ist hierbei dessen Verhalten gemeint, welches in einer Vergangenheit beginnt und in einer prädizierten – also vorhergesagten – Zukunft endet. Bevorzugt wird dabei ein bezüglich der Gegenwart kurzfristig zurückliegender Verlauf eines Drehparameters, für eine kurzfristige Zeitspanne – in der Zukunft liegend – prädiziert. D. h., dass z. B. aufgrund einer (interpolierten) Vergangenheit eine zukünftige Zeitspanne extrapoliert wird, die zusätzlich noch von zusätzlich zur Verfügung stehenden Informationen modifiziert wird. D. h. diejenige Zeitspanne, welche ab der Gegenwart in einer kurzfristigen Zukunft liegt wird prädiziert.
Die zusätzlich zur Verfügung stehenden Informationen können z. B. aus einem Geschwindigkeitssignal, einem ABS-Signal (Raddrehzahlsensor ABS), einem Fahrpedalsignal, einem Drosselklappensignal, einem Luftmassensignal, einem Saugrohrdrucksignal, einem Bremssignal, einem Kupplungssignal und/oder anderer Signale herrühren. Ferner kann ein Signal einer Verbrennungsaussetzungserkennung (Misfire-Erkennung) für eine erfindungsgemäße Prädiktion verwendet werden.
Ferner wird bevorzugt für jeden Zeitpunkt ein Drehparameter der Nockenwelle bzw. der Kurbelwelle anhand der Signale des Nockenwellensensors gebildet, was bevorzugt durch eine Inter- und/oder Extrapolation der Signale erreicht wird. Dies kann z. B. linear oder nicht linear erfolgen. So ist z. B. ein Interpolationspolynom, eine stückweise (lineare) Interpolation, eine Hermite-Interpolation, eine trigonometrische Interpolation und/oder eine logarithmische Interpolation anwendbar.
Hierbei werden die Nockenwellensignale des Nockenwellensensors entsprechend analysiert, wobei bevorzugt eine Zeitspanne zweier vom Nockenwellensensor registrierter Zahnflanken des Nockenwellengeberrads aufgenommen wird. Eine solche Zeitspanne wird als Zahnzeit bezeichnet, wobei sich die Drehparameter aus wenigstens einer Zahnzeit und den geometrischen Abmessungen des Nockenwellengeberrads ergeben.
Insbesondere wird erfindungsgemäß zur Bestimmung eines aktuellen oder eines zukünftigen Drehparameters eine Historie des Verlaufs dieses oder eines anderen Drehparameters der Kurbelwelle oder der Nockenwelle für ein Abschätzen über einen künftigen Verlauf eines Drehparameters herangezogen. Dies findet aufgrund der Nockenwellensignale und/oder aufgrund der zusätzlichen Informationen statt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden einerseits zwei Betriebsmodi der Brennkraftmaschine und andererseits zwei Prädiktionsmodi unterschieden. Hierbei ist ein Betriebsmodus der Brennkraftmaschine ein Stationärbetrieb und ein anderer ein Instationärbetrieb. Ein Prädiktionsmodus ist eine Primärprädiktion und ein anderer eine Sekundärprädiktion, wobei die Primärprädiktion bevorzugt die Zusatzinformationen und die Sekundärprädiktion bevorzugt die Informationen des Nockenwellensensors verarbeitet. Es ist jedoch auch möglich, zusätzlich in der Primärprädiktion die Signale des Nockenwellensensors und/oder in der Sekundärprädiktion zusätzlich zu den Nockenwellensignalen zumindest teilweise die Zusatzinformationen zu verarbeiten.
Im Stationärbetrieb der Brennkraftmaschine wird ein Drehparameter durch eine zeitliche Interpolation der Signale des Nockenwellensensors gebildet. D. h. eine Primärprädiktion findet hierbei bevorzugt nicht statt, sondern es erfolgt durch die Steuereinrichtung bevorzugt ausschließlich eine Sekundärprädiktion.
Im Instationärbetrieb der Brennkraftmaschine kommen – abgesehen von Ausnahmen wie ausgekuppelter Getriebestrang, geringe Fahrgeschwindigkeit, Anfahren – sowohl die Primärprädiktion als auch die Sekundärprädiktion (bilden zusammen eine Parameterverlaufsprädiktion) zum Einsatz.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung fließen die Erkenntnisse der Primärprädiktion und die Erkenntnisse der Sekundärprädiktion nicht zu gleichen Teilen beim Ermitteln eines Drehparameters in diesen ein. D. h. es findet eine Gewichtung zwischen Primärprädiktion und Sekundärprädiktion statt. Bevorzugt wird die Gewichtung anhand einer aktuell vorhandenen Informationsdichte der Primärprädiktions-Informationen und einer aktuell vorhandenen Informationsdichte der Sekundärprädiktions-Informationen berechnet. Dabei erhält diejenige Prädiktion ein höheres Vertrauen, welche eine höhere Informationsdichte beinhaltet.
Hierbei kann die jeweilige Informationsdichte linear oder auch nicht linear (also über- oder untergewichtet) in die Ermittlung eines Drehparameters einfließen. Ferner ist es bevorzugt, die Gewichtung von einer Fahrstufe bzw. einer Fahrgeschwindigkeit eines Fahrzeugs abhängig zu machen, in welcher die betreffende Brennkraftmaschine mit der erfindungsgemäßen Einrichtung verbaut ist und das erfindungsgemäße Verfahren durchführt.
Generell kann man sagen, dass bei einer hohen Drehzahl der Nockenwelle die Informationsdichte in der Sekundärprädiktion hoch ist und gegenüber der Primärprädiktion priorisiert wird. Bei einer vergleichsweise niedrigen Drehzahl der Nockenwelle ist dann analog die Primärprädiktion gegenüber der Sekundärprädiktion priorisiert.
In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden die Signale des Nockenwellensensors und die Zusatzinformationen mittels einer Fuzzy-Logik verarbeitet.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein Drehparameter der Nockenwelle und/oder der Kurbelwelle frei von Drehschwingungsanteilen. Die Drehschwingungsanteile rühren von Drehschwingungen der Nockenwelle her, da diese bei unterschiedlichen Drehpositionen einer unterschiedlichen mechanischen Belastung ausgesetzt ist.
Es sind prinzipiell zwei Drehschwingungsanteile der Nockenwelle voneinander zu unterscheiden. Einerseits resultieren Drehschwingungen der Nockenwelle von konstruktiven Gegebenheiten der Brennkraftmaschine. Diese Drehschwingungsanteile sind fix gegeben und können entsprechend auf einfache Weise bei der Bestimmung eines Drehparameters berücksichtigt werden. Andererseits sind Drehschwingungsanteile im betreffenden Drehparameter abhängig von einer Drehzahl der Nockenwelle und/oder einer Last der Brennkraftmaschine. Diese Anteile werden versuchstechnisch ermittelt, in der Steuereinrichtung abgelegt und beim Prädizieren eines Drehparameters berücksichtigt. Ferner ist es möglich, Drehschwingungsanteile über eine Frequenzanalyse bzw. eine FFT-Analyse zu minimieren oder zu eliminieren.
Bevorzugt arbeiten bei Ausführungsformen der Erfindung zu jeweils einem bestimmten Anteil die Primärprädiktion und die Sekundärprädiktion beim Ermitteln eines Drehparameters zusammen. Es ist jedoch bevorzugt, dass im ausgekuppelten Zustand, im Leerlauf, unter einer geringen Geschwindigkeit die Sekundärprädiktion ausschließlich bzw. nahezu ausschließlich zutragen kommt. Ferner ist es bevorzugt, die Sekundärprädiktion beim Ermitteln eines Drehparameters immer zu berücksichtigen.
Der große Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Einrichtung besteht darin, dass trotz Wegfall des Kurbelwellengeberrads und des Kurbelwellensensors eine exakte Bestimmung eines Drehparameters der Kurbelwelle, insbesondere eine Kurbelwellenposition und einer Motordrehzahl (= Kurbelwellendrehzahl) möglich ist. Für den Betrieb der Brennkraftmaschine ergeben sich dabei keinerlei Einschränkungen, es eröffnet sich jedoch erfindungsgemäß ein deutliches (Kosten-)Einsparpotential, da auf Bauteile sowie auf deren Montage und Wartung verzichtet werden kann. Dies sind unter Anderem der Kurbelwellensensor, das Kurbelwellengeberrad und eine Verkabelung dafür, eine Eingangsbeschaltung am Steuergerät inklusive eines Pinnings, usw. Ferner ergibt sich ein geringerer Platzbedarf bei der erfindungsgemäßen Einrichtung. Des Weiteren ist das erfindungsgemäße Verfahren für einen sogenannten Limp home-Betrieb, also einen Notlaufbetrieb geeignet.
Ferner ist es möglich, das erfindungsgemäße Verfahren auf eine direkte Bestimmung eines Drehparameters der Kurbelwelle anzuwenden. Hier für wird aus dem Nockenwellengeberrad ein Kurbelwellengeberrad, das nun vom als Kurbelwellensensor ausgebildeten Nockenwellensensor abgetastet wird. Aus dem Nockenwellensignal wird dann ein Kurbelwellensignal. Durch diese Alternative der Erfindung wird eine sehr exakte Drehparameterbestimmung der Kurbelwelle realisiert, wobei eine Kurbelwellenposition zu weit unter 0,1° aufgelöst werden kann. Eine Unterscheidung des Zünd-OTs vom Ladungswechsel-OT findet bevorzugt mittels der herkömmlichen Halbmondkonstruktion statt.
Zusätzliche Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen abhängigen Ansprüchen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die schematische Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 in einer Seitenansicht eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs;
2 eine Detailansicht der 1 in einem Bereich eines Motorblocks und eines Zylinderkopfs der Brennkraftmaschine;
3 eine Einrichtung gemäß dem Stand der Technik (Index: ') zur Bestimmung eines Drehparameters einer Kurbelwelle;
4 eine erfindungsgemäße Einrichtung zur indirekten Ermittlung eines Drehparameters der Kurbelwelle;
5 eine Detailansicht der 4 im Bereich eines erfindungsgemäßen Nockenwellengebers;
6 ein prinzipielles Schaubild einer erfindungsgemäßen Prädiktion eines Drehzahlverlaufs der Kurbelwelle;
7 die erfindungsgemäße Prädiktion bei einer Verminderung einer Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs;
8 die erfindungsgemäße Prädiktion beim Durchfahren einer Gefällstrecke;
9 eine Steuereinrichtung zum Ermitteln eines Drehparameters der Kurbelwelle mit ihren Ein- (links) und Ausgangssignalen (rechts);
10 ein Diagramm mit drehschwingungsbehafteten und drehschwingungsbereinigten Nockenwellensignalen;
11 ein Nockenwellen- und ein Geschwindigkeits- bzw. ABS-Raddrehzahlsignal zur Erläuterung einer Informationsdichte des jeweiligen Signals
12 eine Alternative der Erfindung, wobei ein Drehparameter der Kurbelwelle direkt bestimmt wird; und
13 Alternativen zum Bestimmen von Zahnzeiten von verschiedenen Geberrädern.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Einrichtung werden im Folgenden hauptsächlich anhand einer indirekten Drehparameterermittlung einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine (Diesel- oder Ottomotor) für ein Kraftfahrzeug näher erläutert. Es ist jedoch möglich, mittels der erfindungsgemäßen Einrichtung eine Drehparameterermittlung einer anderen Welle zu realisieren. Ferner ist es möglich, das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur auf Brennkraftmaschinen für Kraftfahrzeuge, sondern generell anzuwenden. Dies gilt insbesondere für eine erfindungsgemäße Primär- und Sekundärprädiktion, welche es ermöglicht, Zusatzinformationen bei einer Bestimmung eines Drehparameters einer Welle zu verwenden, um so einen Drehparameter exakter als es bisher möglich war zu bestimmen. So ist es z. B. möglich, das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Einrichtung auf Elektromotoren und/oder Gasturbinen anzuwenden. Insbesondere ist mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens auch eine direkte Bestimmung eines Drehparameters der Kurbelwelle möglich (siehe hierzu auch unten).
Wenn ferner im Folgenden von einem Drehparameter die Rede ist, so soll damit eine Drehzahl, eine Dreh-/Winkelposition, eine Momentanposition, eine Winkelgeschwindigkeit, eine Winkelbeschleunigung und/oder eine Änderung einer Winkelbeschleunigung verstanden werden, wobei ein jeweiliger Parameter eine Kurbelwelle (Index: 100) oder eine Nockenwelle (Index: 200) betrifft. Zwischen einem Drehparameter der Kurbelwelle und einem Drehparameter der Nockenwelle kann ein im Wesentlichen festes Verhältnis von 2:1 zugrunde gelegt werden (zu einer Phasenverschiebung zwischen der Kurbelwelle und der Nockenwelle siehe oben); d. h. auch, dass eine Aussage bezüglich eines Drehparameters der Kurbelwelle analog für die Nockenwelle und umgekehrt gilt.
Eine Kennzeichnung des Stands der Technik findet in der Zeichnung und der Figurenbeschreibung durch einen hochgestellten Strich (') statt.
Die 1 zeigt eine Brennkraftmaschine 1 mit vier Zylindern 40, welche einen Ansaugtrakt 2, einen Motorblock 3, einen Zylinderkopf 4 und einen Auslasstrakt 5 umfasst. Der Ansaugtrakt 2 weist vorzugsweise eine Drosselklappe 20, einen Sammler 21 und ein Saugrohr 22 auf, das über einen Einlasskanal im Motorblock 3 zu einem Zylinder 40 geführt ist. Der Motorblock 3 weist ferner eine Kurbelwelle 100 auf, die über eine Pleuelstange 42 mit einem Kolben 41 eines Zylinders 40 mechanisch gekoppelt ist. Dar Zylinderkopf 4 umfasst einen Ventiltrieb mit Gaswechselventilen 30, 31 – bevorzugt wenigstens einem Einlassventil 30 und bevorzugt wenigstens einem Auslassventil 31 –, sowie diesen zugeordneten Ventilantrieben 250, die jeweils als ein Nocken 250 einer Nockenwelle 200 (siehe zusätzlich auch 2) ausgebildet sind. In einen Brennraum 50 der Brennkraftmaschine 1 ragt ein Einspritzventil 32 zum Einspritzen von Kraftstoff hinein. Ist die Brennkraftmaschine 1 als Ottomotor ausgebildet, so weist diese ferner eine in den Brennraum 50 hineinragende Zündkerze 33 auf. Bei einem Dieselmotor fehlt die Zündkerze 33, daher ist das treffende Bezugszeichen in 1 in Klammern dargestellt.
2 zeigt einen etwas detaillierteren Ausschnitt der Brennkraftmaschine 1 im Bereich ihres Motorblocks 3 und ihres Zylinderkopfs 4, wobei die Brennkraftmaschine 1 mit zwei oben liegenden Nockenwellen 200 ausgebildet ist. Es ist jedoch auch möglich, eine andere Anzahl von Nockenwellen 200 bei der Erfindung vorzusehen. Dies gilt natürlich auch für eine Anzahl der Zylinder 40 der Brennkraftmaschine 1.
Die 3 zeigt eine Einrichtung 10' gemäß dem Stand der Technik zur Ermittlung einer Drehzahl N_100' und/oder einer Drehposition P_100' der Kurbelwelle 100. Diese Einrichtung 10' nach dem Stand der Technik ist als ein inkrementales Aufnehmersystem ausgebildet und weist an der Kurbelwelle 100 ein Kurbelwellengeberrad 110' auf, das als Zähnerad ausgebildet ist. Das Kurbelwellengeberrad 110' weist 60-2 Zähne 212' (in der 3 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit weniger Zähne 212' dargestellt) auf, die bzw. deren Flanken von einem Kurbelwellensensor 301' detektiert werden und als Kurbelwellensignal KW' einer Steuereinrichtung 400, z. B. einer Motorsteuerung 400, zur Verfügung gestellt werden. Durch eine Interpolation der Kurbelwellensignale KW' lässt sich damit eine Auflösungsgenauigkeit der Kurbelwellenposition P_100' zu 0,1° erreichen.
Um einen Zünd-OT von einem Ladungswechsel-OT bei der Einrichtung 10' nach dem Stand der Technik unterscheiden zu können, erhält die Steuereinrichtung 400 ferner Informationen von einem Nockenwellensensor 300', der mit einer an der Nockenwelle 200 vorgesehenen Halbsegmentscheibe 210' zusammenwirkt. Hierdurch lässt sich aufgrund der halben Drehzahl der Nockenwelle 200 gegenüber der Kurbelwelle 100 der Zünd OT vom Ladungswechsel OT sicher unterscheiden. Hierfür erhält die Steuereinrichtung 400 vom Nockenwellensensor 300' ein entsprechendes Nockenwellensignal NW'.
4 und 5 zeigen eine erfindungsgemäße Einrichtung 10 zur Ermittlung eines Drehparameters N₁₀₀, P₁₀₀, ω₁₀₀, α₁₀₀ der Kurbelwelle 100. Hierbei wird der entsprechende Drehparameter N₁₀₀, P₁₀₀, ω₁₀₀, α₁₀₀ indirekt über eine Nockenwellen-Sensoreinrichtung 300 ermittelt; also über ein Bestimmen eines Drehparameters N₂₀₀, P₂₀₀, ω₂₀₀, α₂₀₀ der Nockenwelle 200.
Hierzu erhält die Steuereinrichtung 400 ein entsprechendes Nockenwellensignal NW von der Nockenwellen-Sensoreinrichtung 300.
Erfindungsgemäß wird auf den Kurbelwellensensor 301' und auf das Kurbelwellengeberrad 110' verzichtet. [Bei einem alternativen Verfahren der Erfindung (siehe unten) finden diese jedoch eine Anwendung]. Die Halbmondkonstruktion 210' an der Nockenwelle 200 wird auf ein Zähnerad erweitert. Erfindungsgemäß erfolgt nun eine Erfassung eines Drehparameters N₁₀₀, P₁₀₀, ω₁₀₀, α₁₀₀ der Kurbelwelle 100 an der Nockenwelle 200. Hierfür werden die entsprechenden Drehparameter N₂₀₀, P₂₀₀, ω₂₀₀, α₂₀₀ der Nockenwelle 200 bestimmt. Dies ist möglich, da über einen Nockenwellenantrieb 190 (Zahnriemen, Steuerkette, Königswelle, Zahnrädersatz, etc.) eine feste Zuordnung (f) von der Kurbelwelle 100 zur Nockenwelle 200 im Drehzahlverhältnis von im Wesentlichen 2:1 gegeben ist. Sollte eine Phasenverstelleinrichtung zwischen Kurbelwelle 100 und Nockenwelle 200 vorgesehen sein: Siehe oben. Erfindungsgemäß sendet der Nockenwellensensor 300 nicht mehr nur eine einzige steigende bzw. eine einzige fallende Flanke der Halbsegmentscheibe 210' pro Umdrehung, sondern sendet die steigenden und fallenden Flanken 211, 213 bzw. Zahninformationen bzw. Zahnzeiten Δt_n (siehe auch 11) eines Nockenwellengeberrads 210 an die Steuereinrichtung 400, die daraus Informationen über einen Drehparameter N₁₀₀, P₁₀₀, ω₁₀₀, α₁₀₀ der Kurbelwelle 100 ermittelt (siehe auch 9).
Es wird an dieser Stelle nochmals ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die Drehparameter N₁₀₀, P₁₀₀, ω₁₀₀, α₁₀₀ der Kurbelwelle 100 mit den Drehparametern N₂₀₀, P₂₀₀, ω₂₀₀, α₂₀₀ der Nockenwelle 200 korreliert sind, und somit untereinander „austauschbar” sind. Das soll heißen, dass es letztlich egal ist, ob ein betreffender Drehparameter N₁₀₀, P₁₀₀, ω₁₀₀, α₁₀₀ der Kurbelwelle 100 erst über eine Berechnung eines Drehparameters N₂₀₀, P₂₀₀, ω₂₀₀, α₂₀₀ der Nockenwelle 200 ermittelt wird, oder ob ein betreffender Drehparameter N₁₀₀, P₁₀₀, ω₁₀₀, α₁₀₀ der Kurbelwelle 100 direkt aus dem Nockenwellensignal NW der Nockenwellen-Sensoreinrichtung 300 ermittelt wird.
Ein Bauraum im Bereich des Nockenwellengeberrads 210 ist in der Regel limitiert, sodass ein maximaler Durchmesser des Nockenwellengeberrads 210 begrenzt ist. Da jedoch in Umfangsrichtung des Nockenwellengeberrads 210 eine Mindestbreite eines Zahns 212 des Nockenwellengeberrads 210 gegeben sein muss, um ein sicheres Erkennen eines am Nockenwellensensor 300 vorbeieilenden Zahns 212 zu gewährleisten, beschränkt sich eine maximale Anzahl von Zähnen 212 am Nockenwellengeberrad 210 (siehe 5).
Im vorliegenden Beispiel ist das Nockenwellengeberrad 210 als Zähnerad mit 16-1 Zähnen 212 ausgebildet, wobei 16 Zähne 212 gleichmäßig am Umfang verteilt sind (Zwischenräume 214 zwischen zwei benachbarten Zähnen 212 in Umfangsrichtung gleich groß) und dabei ein Zahn 212 weggelassen wird (218) bzw. dabei zwei Zähne 212 überbrückt werden (219); d. h. es befinden sich 15 Zähne 212 am Nockenwellengeberrad 210. Eine andere Anzahl von Zähnen 212 ist natürlich möglich, wobei diese ebenfalls bevorzugt gleichmäßig am Umfang des Nockenwellengeberrads 210 verteilt angeordnet sind.
Durch die lediglich halbe Drehfrequenz der Nockenwelle 200 gegenüber der Kurbelwelle 100 ist ein darüber hinausgehendes Unterscheiden eines Zünd-OTs von einem Ladungswechsel-OT nicht mehr notwendig. Das Detektieren des Zünd-OTs bzw. des Ladungswechsel-OTs ergibt sich über den fehlenden Zahn 218 oder eine geschlossene Zahnlücke 219 am Nockenwellengeberrad 210. Es ist natürlich möglich mehr als nur einen fehlenden Zahn 218 bzw. mehr als nur eine geschlossene Zahnlücke 219 am Nockenwellengeberrad 210 vorzusehen. Diese 218, 218; 219, 219 müssen nicht unbedingt direkt zueinander benachbart sein. Ferner ist es denkbar, wenigstens einen fehlenden Zahn 218 und wenigstens eine geschlossene Zahnlücke 219 am Nockenwellengeberrad 210 vorzusehen.
Das Nockenwellengeberrad 210 ist z. B. als Zahnrad 210 ausgebildet, welches mit einem bevorzugt induktiven Nockenwellensensor 300 zusammenwirkt. Ferner kann das Nockenwellengeberrad 210 z. B. als Blendenrotor 210 ausgebildet sein, der bevorzugt mit einem als Hallsensor ausgebildeten Nockenwellensensor 300 zusammenarbeitet. Es ist selbstverständlich möglich, die Erfindung mit einer anderen Konfiguration von Nockenwellengeberrad 210 und Nockenwellensensor 300 auszubilden, solange damit ein Drehparameter N₂₀₀, P₂₀₀, ω₂₀₀, α₂₀₀ der Nockenwelle 200 erfassbar ist.
Durch eine geringere Anzahl der Zähne 212 des Nockenwellengeberrads 210 gegenüber einem herkömmlichen Kurbelwellengeberrad 110' und einer lediglich halben Drehfrequenz der Nockenwelle 200 gegenüber der Kurbelwelle 100 verliert das erfindungsgemäße System an Signalgüte (Informationsdichte ID, siehe unten), worunter z. B. eine Genauigkeit einer Positionsbestimmung P₁₀₀ der Kurbelwelle 100 leidet. Diesen Informationsverlust gilt es zu kompensieren, da ansonsten Basisfunktionalitäten, wie z. B. eine Zündung (Ottomotor) oder eine Einspritzung von Kraftstoff, nur mehr ungenügend genau dargestellt werden können und so die Gefahr besteht, dadurch eine Leistungsfähigkeit und ein Emissionsverhalten der Brennkraftmaschine 1 zu verschlechtern.
Erfindungsgemäß soll dabei zwischen zwei Betriebszuständen bzw. Betriebsmodi der Brennkraftmaschine 1 unterschieden werden – nämlich einem Stationärbetrieb SS (Steady State) und einem Instationärbetrieb TS (Transient State).
Für den Stationärbetrieb SS stellt die erfindungsgemäße Einrichtung 10 bzw. das erfindungsgemäße Verfahren keinerlei Einschränkung gegenüber dem Stand der Technik dar. Ist die Motordrehzahl (Kurbelwellendrehzahl N₁₀₀) konstant, so kann von der Motorsteuerung 400 (ECU) eine Nockenwellenposition P₂₀₀ und damit eine Kurbelwellenposition P₁₀₀ durch eine zeitliche Interpolation wenigstens zweier aufeinander folgender Zähne 212 bzw. Zahnflanken 211, 211; 212, 212; 211, 212; 212, 211 (Zahnzeit Δt_n) exakt erfasst werden. Siehe hierzu auch 11.
Anders verhält es sich im Instationärbetrieb TS der Brennkraftmaschine 1, also bei einem Beschleunigen oder Verzögern eines mit der erfindungsgemäßen Einrichtung 10 ausgerüsteten Fahrzeugs. D. h. die Drehparameter N₁₀₀, P₁₀₀, ω₁₀₀, α₁₀₀ der Kurbelwelle 100 bzw. die Drehparameter N₂₀₀, P₂₀₀, ω₂₀₀, α₂₀₀ der Nockenwelle 200 verändern sich. Hierbei ist es möglich, dass die vorhandene Anzahl von Zähnen 212 am Nockenwellengeberrad 210 in Verbindung mit einer vergleichsweise „langsamen” Nockenwelle 200 (niedrige Drehzahl N₂₀₀) nicht ausreicht, um z. B. eine aktuelle Drehposition P₁₀₀ der Kurbelwelle 100 ausreichend genau bestimmen zu können. Es sind also zusätzliche Informationen notwendig, um eine Genauigkeit eines Drehparameters N₁₀₀, P₁₀₀, ω₁₀₀, α₁₀₀ der Kurbelwelle 100 zu erhöhen.
Diese Informationen erhält man auf zweierlei Weise. Zum Einen nutzt man eine Verfügbarkeit weiterer Sensorsignale, wobei ein Geschwindigkeitssignal V bevorzugt ist, welches auch in einfachen Motorsteuerungen vorhanden ist (z. B. über einen Tachometer oder einen ABS-Raddrehzahlsensor). Das Signal V einer Geschwindigkeit v des Fahrzeugs in Verbindung mit einer Kenntnis einer eingelegten Fahrstufe (Gang), ist ein sicheres Maß für einen Drehparameter N₂₀₀, P₂₀₀, ω₂₀₀, α₂₀₀, insbesondere für eine Drehzahl N₁₀₀, der Kurbelwelle 100. Voraussetzung hierfür ist allerdings ein eingekuppelter Getriebestrang. Zum Anderen blickt man auf eine (Drehparameter-)Historie und macht eine Abschätzung über deren künftigen Verlauf.
6 zeigt eine prinzipielle Herangehensweise des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand einer konstanten Beschleunigung a durch Analyse einer gefahrenen Geschwindigkeit v. Durch eine Analyse des Geschwindigkeitssignals V (Geschwindigkeit v) wird ermittelt, ob und wie stark das Fahrzeug verzögert oder beschleunigt. Da ein Geschwindigkeitsverlauf aufgrund einer Fahrzeugmasse einer bestimmten Trägheit unterliegt, eignet er sich gut für eine Prädiktion eines Drehparameters N_100/200, P_100/200, ω_100/200, α_100/200, z. B. des in 6 dargestellten Verlaufs der Drehzahl N₁₀₀.
Die Verlaufsprädiktion kann unter Zuhilfenahme weiterer zur Verfügung stehender Signale verfeinert und verbessert werden. So liefert z. B. eine Einbeziehung eines Fahrpedalsignals PV (siehe auch 7 und 8) wichtige Informationen über einen künftigen Verlauf. Geht der Fahrer vom Gas (Fahrpedalsignal PV nimmt ab), so wird das Fahrzeug verzögern. Nimmt das Fahrpedalsignal PV zu, so ist eine Beschleunigung zu erwarten.
Hierbei kann es vorteilhaft sein, mittels einer Analyse eines Fahr- bzw. Fahrerverhaltens in Verbindung mit einer Topographie, die Prädiktion weiter zu differenzieren. Ändert sich zunächst die Fahrgeschwindigkeit v und folgt als Reaktion darauf eine Änderung des Fahrpedalsignals PV, so befährt das Fahrzeug eine Steigung oder ein Gefälle. Reagiert der Fahrer darauf, wie es z. B. in 8 dargestellt ist, ist tendenziell mit einer gleichbleibenden Geschwindigkeit v zu rechnen (Zeitpunkt t₁). Ändert sich die Geschwindigkeit v des Fahrzeugs als Folge einer Änderung des Fahrpedalsignals PV, wie es z. B. in 7 dargestellt ist, so agiert der Fahrer und es wird eine Beschleunigung a oder, im Fall der 7, eine Verzögerung a prädiziert.
Ähnliche Informationen wie das Fahrpedalsignal PV liefert z. B. ein Drosselkappenwinkel (Drosselklappensignal TPS) oder eine angesaugte Luftmenge (Luftmengen bzw. Luftmassensignal MAF) oder ein von einem Saugrohrdrucksensor 23 ermittelter Saugrohrdruck (Saugrohrdrucksignal MAP). Weitere miteinbeziehbare Signale werden unter Anderem von einem Bremslichtschalter (Bremssignal BLS) und einem Kupplungsschalter (Kupplungssignal CS) geliefert.
Die einzelnen Signalinformationen werden bevorzugt nach den Regeln der Fuzzy-Technik behandelt, d. h. es werden vorrangig Tendenzen (besser, schlechter, mehr, weniger, etc.) gebildet. Aus all diesen Informationen wird eine Primärprädiktion PP eines zu erwartenden Verlaufs eines Drehparameters N_100/200, P_100/200, ω_100/200, α_100/200 gebildet. Die Signale NW des Nockenwellensensors 300 finden getrennt davon in einer Sekundärprädiktion SP Berücksichtigung.
Dies ist schematisch in 9 dargestellt, in welcher die Steuereinrichtung 400 eingangseitig (links in Bezug auf 9) die für die Prädiktion möglichen Signale NW, V, ABS, TPS, MAF, MAP, BLS, CS, Z, LS erhält und einen betreffenden Drehparameter N₁₀₀, P₁₀₀, ω₁₀₀, α₁₀₀ der Kurbelwelle 100 ermittelt. Dies kann indirekt über einen oder mehrere Parameter N₂₀₀, P₂₀₀, ω₂₀₀, α₂₀₀ der Nockenwelle 200 erfolgen, oder direkt aus den betreffenden Signalen NW, V, ABS, TPS, MAF, MAP, BLS, CS, Z, LS selbst geschehen.
Welche Signale NW, V, ABS, TPS, MAF, MAP, BLS, CS, Z, LS für die Prädiktion verwendet werden hängt von deren Eignung ab. Es ist nicht notwendig, alle Signale NW, V, ABS, TPS, MAF, MAP, BLS, CS, Z, LS zu verarbeiten; ein Teil davon kann durchaus vollkommen ausreichend sein. Bevorzugt verarbeitet die erfindungsgemäße Prädiktion das Geschwindigkeitssignal V/ABS in der Primärprädiktion PP und das Nockenwellensignal NW in der Sekundärprädiktion SP.
Ferner zeigt 9 eingangsseitig noch ein Signal LS einer Verbrennungsaussetzungserkennung, das aufgrund einer Lambdasonde, eines Temperaturfühlers und/oder eines NO_x-Sensors generiert wird (siehe unten). Darüber hinaus können noch andere Signale Z für die erfindungsgemäße Prädiktion Verwendung finden.
Bevorzugt berechnet die Steuereinrichtung 400 einen betreffenden Drehparameter N₁₀₀, P₁₀₀, ω₁₀₀, α₁₀₀ der Kurbelwelle 100 aus einem funktionalen Zusammenhang f dieses Drehparameters N₁₀₀, P₁₀₀, ω₁₀₀, α₁₀₀ mit einem Drehparameter N₂₀₀, P₂₀₀, ω₂₀₀, α₂₀₀ der Nockenwelle 200, bevorzugt mit einem entsprechendem Drehparameter N₂₀₀, P₂₀₀, ω₂₀₀, α₂₀₀ der Nockenwelle 200. Letzteres heißt z. B., dass die Drehzahl N₁₀₀ Kurbelwelle 100 aus der Drehzahl N₂₀₀ der Nockenwelle 200 ermittelt wird. So gilt z. B.: f: N₁₀₀ = N₂₀₀·2, wobei zu gewissen Zeitpunkten bzw. Zeitspannen eine Phasenverschiebung zwischen der Nockenwelle 200 und der Kurbelwelle 100 mitberücksichtigt werden kann.
Bei der Sekundärprädiktion SP wird beispielsweise aus einem Verhältnis zweier vorangegangener Zahnzeiten Δt₁, Δt₂ ein Faktor gebildet, dieser Faktor mit der letzten Zahnzeit Δt₂ multipliziert und daraus eine Folgezahnzeit Δt₃ berechnet. Hierbei können auch mehrere vorangegangene Zahnzeiten Δt Berücksichtigung finden.
Problematisch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können Drehschwingungen der Nockenwelle 200 sein. Drückt eine Nocke 250 ein Gaswechselventil 30, 31 entgegen einer Ventilfederkraft auf, so wird die Drehbewegung der Nockenwelle 200 abgebremst. Beim Schließen des Gaswechselventils 30, 31 wird die Nockenwelle 200 durch eine in der betreffenden Rückstellfeder 34, 35 gespeicherten Energie wiederum beschleunigt. Zusätzlich wirken durch eine Verbrennung in den Brennräumen 50 Gaskräfte, entgegen welche das betreffende Gaswechselventil 30, 31 geöffnet werden muss. Die Drehschwingungen sind u. a. abhängig von einer Motordrehzahl (N₁₀₀), einer Last, einer Zylinderzahl, einer Ventilfederkonstante, eines Ventilhubs, einer Steuerketten- bzw. Zahnriemenkonstruktion und anderer Motorkonstruktionsparameter, wie z. B. ob es sich um einen V- oder Reihenmotor handelt und einer Anzahl der Nockenwellen 200 und Ventile 30, 31.
Da ein Großteil dieser Abhängigkeiten fix gegeben ist, bleiben als Variabilitäten im Wesentlichen eine Drehzahl N₂₀₀ der Nockenwelle 200 bzw. eine Drehzahl N₁₀₀ der Kurbelwelle 100 und die Last der Brennkraftmaschine. In Abhängigkeit dieser beiden Größen sind die Drehschwingungen nach Frequenz, Amplitude und Phasenlage z. B. versuchstechnisch zu ermitteln. In der Motorsteuerung 400 werden anschließend entsprechende Korrekturterme abgelegt, um die z. B. eine aktuelle Kurbelwellenposition P₁₀₀ korrigiert wird. Analog wird mit den anderen Drehparametern N₁₀₀, ω₁₀₀, α₁₀₀ verfahren. Die aufgrund der fixen Abhängigkeiten resultierenden Drehschwingungen werden entsprechend deren Abhängigkeiten modelliert und beim Bestimmen des entsprechenden Drehparameters N_100/200, P_100/200, ω_100/200, α_100/200 berücksichtigt.
Eine weitere Lösung den Drehschwingungen zu begegnen, besteht darin, das Nockenwellensignal NW online einer Frequenz- bzw. einer FFT-Analyse zu unterziehen. Die Drehschwingungsanteile werden hierdurch ermittelt und ein betreffender Drehparameter N_100/200, P_100/200, ω_100/200, α_100/200 korrigiert. Moderne Prozessoren sind hierzu durchaus in der Lage.
10 zeigt beispielhaft für das Nockenwellensignal NW die erfindungsgemäße Drehschwingungskorrektur für eine Konstantfahrt und eine beschleunigte Fahrt.
Für eine weitere Optimierung der erfindungsgemäßen Einrichtung 10 bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens findet bevorzugt eine fahrgeschwindigkeits- und/oder fahrstufenabhängige Gewichtung der Primär- PP und der Sekundärprädiktion SP statt. Es ist erfindungsgemäß natürlich auch möglich, hierbei zusätzliche Informationen (Signale TPS, MAF, MAP, BLS, CS, Z, LS) neben den fahrgeschwindigkeits- und/oder fahrstufenabhängigen Informationen zu verwenden, oder auch beliebige geeignete Signale NW, V, ABS, TPS, MAF, MAP, BLS, CS, Z, LS bzw. beliebige Kombinationen dieser Signale NW, V, ABS, TPS, MAF, MAP, BLS, CS, Z, LS.
Dabei wird diejenige Prädiktion PP, SP, deren Informationsdichte ID größer ist, entsprechend bevorzugt. D. h. es findet eine Gewichtung von Primär- PP und Sekundärprädiktion SP in der gesamten Parameterverlaufsprädiktion statt. Dies findet in einem Gewichtungsfaktor X Berücksichtigung, wobei die betreffende Informationsdichte ID_PP, ID_SP entsprechend ihrem Anteil linear oder nicht linear auf die betreffende Prädiktion PP, SP aufgeteilt werden kann.
Im Folgenden wird die erfindungsgemäße Prädiktion PP, SP anhand eines Beispiels unter zu Hilfenahme eines ABS-Raddrehzahlsensors aus einem Antiblockiersystem näher erläutert, welcher ein ABS-Signal ABS zur Verfügung stellt, welches ein Maß für eine Fahrgeschwindigkeit v des Fahrzeugs darstellt. Siehe hierzu auch 9 und 11.
Bei einer Reifendimension von 195/65-15 beträgt ein Reifenumfang ca. 1,99 m. Bei einer Fahrgeschwindigkeit v von 100 km/h dreht sich das Rad damit etwa 14 Mal pro Sekunde. Das entspricht einer Drehzahl von 834 l/min. Ein mit 100 Zähnen ausgerüstetes ABS-Geberrad liefert somit genau so viele Informationssignale (ABS-Signal ABS), wie ein konventioneller Kurbelwellensensor 301', der mit einem mit 60-2 Zähnen ausgerüsteten Kurbelwellengeberrad 110' bei 1.400 l/min zusammenwirkt. Nimmt man eine Motordrehzahl N₁₀₀ von 2.800 l/min bei 100 km/h an, so bedeutet dies zwar eine Halbierung der Informationen, aber auch zugleich ein deutliches Informationsplus im Vergleich zum Nockenwellensensor 300, der mit einem mit 16-1 Zähnen ausgerüsteten Nockenwellengeberrad 210 zusammenwirkt (60/16·2 = 7,5).
Toleranzen bei der Reifendimension (unterschiedliche Fabrikate), Profilabnutzung, verschiedene Rad/Reifenkombinationen (195/65, 205/60 oder 225/50) und/oder ein schwankender Reifenluftdruck führen bei gleicher Motordrehzahl N₁₀₀ zu unterschiedlichen Fahrgeschwindigkeiten v. Dem wird durch einen Abgleich zwischen der aus dem ABS-System berechneten Fahrzeuggeschwindigkeit v (ABS-Signal) und der aus der Motordrehzahl N₁₀₀ berechneten Fahrzeuggeschwindigkeit v, vorzugsweise bei einer Konstantfahrt, insbesondere einer schnellen Konstantfahrt, begegnet. D. h. in gewissen Zeitabständen, z. B. bei jedem Start der Brennkraftmaschine 1 und einer darauf folgenden Konstantfahrt oder einer jeden Konstantfahrt, wird die aus dem ABS-Signal ABS ermittelte Fahrzeuggeschwindigkeit v mit der aus dem Nockenwellensignal NW ermittelten Fahrzeuggeschwindigkeit v abgeglichen, und die aus dem ABS-Signal ABS ermittelte Fahrzeuggeschwindigkeit v bzw. das ABS-Signal selbst mittels eines Korrekturfaktors berichtigt. Das größere Vertrauen hat hierbei also das Nockenwellensignal NW. Bei einem Start der Brennkraftmaschine 1 wird bevorzugt der zuletzt ermittelte Korrekturfaktor angewendet. Eine analoge Vorgehensweise ist z. B. mittels des Geschwindigkeitssignals V möglich, das z. B. vom Tachometer bzw. einer Messeinrichtung für den Tachometer stammen kann.
Eine weitere Besonderheit stellt Kurvenfahrt dar. Da ein kurveninneres Rad langsamer dreht als ein kurvenäußeres Rad, werden theoretisch zwei verschiedene Geschwindigkeiten v ermittelt. ABS-Systeme sind jedoch in der Lage, durch Vergleich und Mittelung zweier und mehr Geschwindigkeitssignale (ABS-Signale ABS) eine mittlere Fahrzeuggeschwindigkeit v zu berechnen. Ähnlich verhält es sich bei Schlupf. Hier wird zur Geschwindigkeitsermittlung das Signal der nicht angetriebenen Räder herangezogen.
Im vorliegenden Beispiel liegt eine Gleichheit an Informationsdichte vor, wenn: N₁₀₀·16/2 = N_Rad·100.
Getriebe- i_G und Differentialübersetzung i_D sind dabei wie folgt zu berücksichtigen: N₁₀₀ = N_Rad·i_G·i_D.
Damit kann für jede Fahrstufe eine „Motorgrenzdrehzahl” berechnet werden.
Bei höherer Motordrehzahl N₁₀₀ wird die Sekundärprädiktion SP priorisiert (> 1:1) und bei niedrigerer Motordrehzahl N₁₀₀ die Primärprädiktion PP (< 1:1). Es ist vorteilhaft, gewisse Grenzen bei der Gewichtung bzw. Priorisierung einzuhalten. So soll die Primärprädiktion PP erst ab einer bestimmten Mindestfahrgeschwindigkeit (z. B. 20 km/h) zum Tragen kommen. Somit haben Schwingungen eines Antriebsstrangs beim Anfahrvorgang keinen negativen Einfluss. Andererseits soll auf die Sekundärprädiktion SP auch bei hohen Fahrgeschwindigkeiten v niemals ganz verzichtet werden, da sie nach wie vor verlässliche Informationen über die Motordrehzahl N₁₀₀ und die Kurbelwellenposition P₁₀₀ liefert.
Tritt der Fahrer das Kupplungspedal (CS), wird allein die Sekundärprädiktion SP betrachtet, da keine feste Kopplung mehr zwischen Fahrzeuggeschwindigkeit v und Motordrehzahl N₁₀₀ besteht. Um Schwingungen des Antriebsstrangs auch bei Schaltvorgängen, insbesondere nach dem Wiedereinkuppeln zu eliminieren, wird die Primärprädiktion PP für einen gewissen Zeitraum ausgeblendet.
Besondere Aufmerksamkeit kommt einem Leerlauf der Brennkraftmaschine 1 zu. Da moderne Brennkraftmaschinen 1 überaus reibungsoptimiert sind, bedarf es nur geringer Störmomente, um den Leerlauf zu beeinflussen. Um keine Einschränkungen der Leerlaufqualität hinnehmen zu müssen, werden alle Moment bestimmenden und beeinflussenden Größen zu jedem Nockenwellengeberzahn 212 berechnet und aktualisiert.
Erwähnt sei in diesem Zusammenhang noch eine sogenannte Verbrennungsaussetzerkennung, z. B. mit Hilfe einer Lambdasonde, eines Temperaturfühlers oder eines NO_x-Sensors. Die Verbrennungsaussetzerkennung basiert in der Regel auf einem Vergleich aufeinander folgender Segmentzeiten; d. h. die Rohsignale hierfür liefert die erfindungsgemäße Drehzahl- bzw. Positionssensorik 210, 300, 400 (10), bzw. das erfindungsgemäße Verfahren. Sollte daher eine gewünschte Genauigkeit mit oben Genanntem nicht erreicht werden, so steht durch die Verbrennungsaussetzerkennung ein weiteres Signal LS zur Verfügung, mittels welchem das erfindungsgemäße Verfahren ergänzt werden kann.
In diesem Zusammenhang wird auf die DE 10 2005 020 139 A1 (Misfire-Erkennung aus Regeldifferenz einer Lambdaregelung bzw. einem zeitlichen Gradient dieser Größe), die DE 10 2006 031 081 A1 (Misfire-Erkennung aus einer Abgastemperatur, oder aus einer Kombination der Abgastemperatur und einer Lambdaabweichung) und auf die DE 199 13 746 C2 (Verfahren zum Erkennen von abgasverschlechternden und katalysatorschädigenden Aussetzern bei Verbrennungsmotoren) verwiesen.
Mit Bezug auf 11 wird ein Beispiel einer Bestimmung der Drehzahl N₁₀₀ der Kurbelwelle 100 gegeben. Hierzu wird das Nockenwellensignal NW und das Geschwindigkeitssignal V bzw. das ABS-Signal ABS herangezogen.
Die Informationsdichte des Nockenwellensignals NV ergibt sich zu: ID_NW = N₁₀₀·16/2.
Die Informationsdichte des ABS-Signals ABS ergibt sich zu: ID_ABS = N_Rad·100 = [N₁₀₀/(i_G·i_D)]·100, wobei i_G eine Getriebe- und i_D eine Differenzialübersetzung ist.
Der Gewichtungsfaktor X berechnet sich ferner zu: X = ID_NW/ID_ABS.
Es ist bevorzugt, dass der Gewichtungsfaktor X einen gewissen Wert nicht unterschreitet. D. h. sollte sich bei obiger Formel ein Wert kleiner X_min ergeben, so wird dieser auf X_min gesetzt. Bevorzugt liegt der Wert für X_min zwischen 0,1 und 0,25, insbesondere liegt der Wert für X_min bei 0,2.
Es ist natürlich auch möglich, den Gewichtungsfaktor X auf eine andere Weise zu berechnen, wobei dann die Primär- PP oder die Sekundärprädiktion SP über- bzw. unterbewertet werden kann. Dies kann z. B. dann sinnvoll sein, wenn eine Prädiktion PP/SP immer eine höhere Informationsdichte ID als eine andere Prädiktion SP/PP aufweist, oder die Informationsdichte ID innerhalb einer Prädiktion SP, PP konstant ist. Dies gilt insbesondere für Anwendungen, die sich nicht auf Kraftfahrzeuge beziehen.
Erfindungsgemäß berechnet sich in einer Ausführungsform der Erfindung die Drehzahl N₁₀₀ der Kurbelwelle 100 des Kraftfahrzeugs zu: N_{100,prädiziert} = X·N_{NW,prädiziert} + (1 – X)·N_{ABS,prädiziert}.
So ergibt sich z. B. bei einer Drehzahl N₁₀₀ der Kurbelwelle von 3.000 l/min (ermittelt aus dem Nockenwellensignal NW) und einer Raddrehzahl von N_Rad = 600 l/min (ermittelt aus dem ABS-Signal ABS, wobei i_gesamt = 5) eine Informationsdichte ID_NW des Nockenwellensignals zu ID_NW = 400 (Sekundärprädiktion SP) und eine Informationsdichte ID_ABS des ABS-Signals zu ID = 1000 (Primärprädiktion PP). Hieraus berechnet sich der Gewichtungsfaktor X zu X = 0,4. Eingesetzt in obige Gleichung heißt das: N_{100,prädiziert} = 0,4·N_{NW,prädiziert} + 0,6·N_{ABS,prädiziert}.
Es ist natürlich auch möglich, eine andere als eine prozentual anteilige Gewichtung der jeweiligen Informationsdichte ID_PP, ID_SP vorzunehmen. Dies kann z. B. auch nur für eine gewisse Zeitspanne erfolgen, während für eine andere Zeitspanne wiederum auf die anteilige Gewichtung der jeweiligen Informationsdichte ID_PP, ID_SP zurückgegriffen wird.
Im Folgenden wird erläutert, wann die Primärprädiktion PP zusätzlich zur Sekundärprädiktion SP Verwendung findet und wie hoch deren Einfluss ist.
Ist die Fahrgeschwindigkeit v des Fahrzeugs kleiner als ein bestimmter Wert, bevorzugt kleiner als 15–25 km/h, insbesondere kleiner als 20 km/h, dann findet bevorzugt ausschließlich die Sekundärprädiktion SP und bevorzugt zusätzlich die Drehschwingungskorrektur statt.
Ist das Getriebe des Fahrzeugs im ausgekuppelten Zustand (CS = 1), dann findet die Sekundärprädiktion SP und bevorzugt zusätzlich die Drehschwingungskorrektur statt.
Befindet sich das Getriebe im eingekuppelten Zustand (CS = 0) und ist eine Zeitspanne Δt_NW (siehe 11) kleiner als ein bestimmtes Limit Δt_NW,Limit und ist eine Zeitspanne Δt_V/ABS (siehe 11) ebenfalls kleiner als ein bestimmtes Limit Δt_V/ABS,Limit, so befindet sich das Fahrzeug im Stationärbetrieb SS und es findet wiederum bevorzugt ausschließlich die Sekundärprädiktion SP und bevorzugt zusätzlich auch die Drehschwingungskorrektur statt.
Für alle anderen Fälle ergibt sich der entsprechende Drehparameter N_100/200, P_100/200, ω_100/200, α_100/200 durch eine gewichtete Primär- PP und Sekundärprädiktion SP, wobei wiederum bevorzugt zusätzlich die Drehschwingungskorrektur stattfindet.
12 zeigt eine Anwendung der Erfindung auf eine direkte Bestimmung eines Drehparameters N₁₀₀, P₁₀₀, ω₁₀₀, α₁₀₀ der Kurbelwelle 100.
Hierbei ist ein Kurbelwellengeberrad 110 [ehemals Nockenwellengeberrad 210] an der Kurbelwelle 100 [ehemals Nockenwelle 200] vorgesehen, das von einem Kurbelwellensensor 301 [ehemals Nockenwellensensor 300] abgetastet wird. Hierbei ist das Kurbelwellengeberrad 110 bevorzugt, wie ein Kurbelwellengeberrad gemäß dem Stand der Technik ausgebildet. Die Kurbelwellensensoreinrichtung 301 sendet ein Kurbelwellensignal KW [ehemals Nockenwellensignal NW] an die Steuereinrichtung 400. Eine Unterscheidung des Zünd-OTs vom Ladungswechsel-OT findet bevorzugt wie im Stand der Technik über die Halbsegmentscheibe und einen damit zusammenwirkenden Nockenwellensensor statt.
Erfindungsgemäß wird nun das Verfahren zur Verlaufsprädiktion eines Drehparameters N₁₀₀, P₁₀₀, ω₁₀₀, α₁₀₀ der Kurbelwelle 100 auf diese in 12 dargestellte Einrichtung 10 übertragen. Hierdurch ist es nun erfindungsgemäß möglich, einen Drehparameter N₁₀₀, P₁₀₀, ω₁₀₀, α₁₀₀ der Kurbelwelle 100 exakter aufzulösen als es bisher im Stand der Technik möglich war. Hierzu wird wiederum die erfindungsgemäße Primärprädiktion PP und/oder die erfindungsgemäße Sekundärprädiktion SP für die jeweiligen Betriebsmodi SS, TS herangezogen.
Durch eine solche erfindungsgemäße Ausführungsform wird eine hohe Informationsdichte ID eines jeweiligen Drehparameters N₁₀₀, P₁₀₀, ω₁₀₀, α₁₀₀ der Kurbelwelle 100 gewonnen, die wiederum eine genaue Verlaufsprädiktion des betreffenden Drehzahlparameters N₁₀₀, P₁₀₀, ω₁₀₀, α₁₀₀ ermöglicht.
Für diese Alternative der Erfindung muss lediglich das oben zur Nockenwelle 200 Gesagte, analog auf die Kurbelwelle 100 übertragen werden. D. h. aus der Nockenwelle 200 wird die Kurbelwelle 100, aus dem Nockenwellensensor 300 wird der Kurbelwellensensor 301, aus dem Nockenwellengeberrad 210 wird das Kurbelwellengeberrad 110, aus dem Nockenwellensignal NW wird das Kurbelwellensignal NW.
Der oben angesprochene funktionale Zusammenhang f zwischen einem Drehparameter N₁₀₀, P₁₀₀, ω₁₀₀, α₁₀₀ der Kurbelwelle 100 und einem Drehparameter N₂₀₀, P₂₀₀, ω₂₀₀, α₂₀₀ der Nockenwelle 200 ergibt sich dann entsprechend zu 1:1.
13 zeigt Alternativen im Vergleich zu 11 beim Bestimmen von Zahnzeiten Δt. Bei einer Ausführungsform der Erfindung nach 11 (oben, Bestimmung von Δt_NW) wird jeweils eine einlaufende Zahnflanke 211 eines Zahns 212 detektiert und die Zeitspanne Δt zwischen diesen beiden Ereignissen gemessen. Diese Zeitspanne Δt bildet eine Grundlage für eine Interpolation.
13 zeigt nun andere Ereignisse, die zur Interpolation herangezogen werden können. Dies wird beispielhaft für das erfindungsgemäße Nockenwellengeberrad 210 erläutert, kann jedoch natürlich auch auf andere Geberräder angewendet werden. Dies soll durch die geklammerten Bezugszeichen (211), (213) verdeutlicht sein. So ist es z. B. in Umkehrung zu 11 möglich, statt der einlaufenden Zahnflanken 211 die auslaufenden Zahnflanken (213) zu detektieren (13, oben). Ferner können beide Zahnflanken (211), (213) detektiert werden (13, Mitte); dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn ein jeweiliger Zahnzwischenraum (214) wenigstens in Umfangsrichtung dieselben Abmessungen wie ein Zahn (212) besitzt. Des Weiteren können sich die Zeitspannen der Zahnzeiten Δt teilweise überlappen (13, unten). Beliebige andere Kombinationen sind hierbei anwendbar.
Es ist darauf zu achten, dass bei der elektronischen Verarbeitung eine einlaufende Flanke (211) eines Zahns (212) meist einer fallenden Signalflanke (NW) und eine auslaufende Flanke (213) eines Zahns (212) meist einer steigenden Signalflanke (NW) entspricht.
Bezugszeichenliste

1: Brennkraftmaschine
2: Ansaugtrakt
3: Motorblock
4: Zylinderkopf
5: Auslasstrakt
10: Einrichtung zur Ermittlung eines Drehparameters (N₁₀₀, P₁₀₀, ω₁₀₀, α₁₀₀) einer Kurbelwelle 100, Wellensensoreinrichtung, Nocken- bzw. indirekte (nicht Stand der Technik) Kurbelwellen-Sensoreinrichtung, inkrementales Aufnehmersystem
20: Drosselklappe
21: Sammler
22: Saugrohr
23: Saugrohrdrucksensor
30: Einlassventil, (Gaswechsel-)Ventil
31: Auslassventil, (Gaswechsel-)Ventil
32: Einspritzventil (Otto-/Dieselmotor)
33: Zündkerze (Ottomotor)
34: Ventilfeder, Rückstellfeder
35: Ventilfeder, Rückstellfeder
40: Zylinder
41: Kolben
42: Pleuelstange
50: Brennraum
100: Kurbelwelle
110': Wellengeberrad, Kurbelwellengeberrad; ausgebildet als 60-2 Zähnerad (nur Stand der Technik)
190: Nockenwellenantrieb; Zahnriemen, Steuerkette, Königswelle, Zahnrädersatz
200: Nockenwelle, bevorzugt Nockenwelle für Einlassventile [Alternative der Erfindung: Kurbelwelle]
210': Halbsegmentscheibe, Halbmondkonstruktion (nur Stand der Technik)
210: Wellengeberrad, Nockenwellengeberrad (Zähnerad); ausgebildet z. B. als Zahnrad (bevorzugt bei induktiven Nockenwellensensor 300) oder als Blendenrotor (bevorzugt bei einem als Hallsensor ausgebildeten Nockenwellensensor 300) [Alternative der Erfindung: Kurbelwellengeberrad]
211: einlaufende Flanke des Zahns 212; entspricht bei der elektronischen Verarbeitung meist der fallenden Signalflanke
212: Zahn, soll auch den Begriff Blende umfassen
213: auslaufende Flanke des Zahns 212; entspricht bei der elektronischen Verarbeitung meist der steigenden Signalflanke
214: Zwischenraum zwischen zwei direkt zueinander benachbarten Zähnen 212
218: fehlender Zahn, fehlende Zähne
219: geschlossene Zahnlücke, geschlossene Zahnlücken
250: Nocken, Ventilantrieb
300: Nockenwellensensor, Wellensensor; bevorzugt Hallsensor oder induktiver Sensor [Alternative der Erfindung: Kurbelwellensensor]
301': Kurbelwellensensor, Wellensensor (nur Stand der Technik)
400: Steuereinrichtung, Motorsteuerung, ECU
N: Drehparameter: Drehzahl der Kurbelwelle 100/Nockenwelle 200; N₁₀₀ auch Motordrehzahl
P: Drehparameter: Dreh-/Winkelposition, Momentanposition der Kurbelwelle 100/Nockenwelle 200
ω: Drehparameter: Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle 100/Nockenwelle 200
α: Drehparameter: Winkelbeschleunigung der Kurbelwelle 100/Nockenwelle 200
U₀: elektrische Versorgungsspannung des Nockenwellensensors 300
U_S: elektrische Sensorspannung des Nockenwellensensors 300
i_G: Getriebeübersetzung
i_D: Differentialübersetzung
Δt_n: Zeitdauer für das Vorbeieilen zweier oder mehrerer Zähne 212 bzw. Zahnflanken 211, 211; 212, 212; 211, 212; 212; 211 des Nockenwellengeberrads 210; Zahnzeit
t: Zeit
v: Geschwindigkeit des Fahrzeugs
a: Beschleunigung/Verzögerung des Fahrzeugs
f: funktionaler Zusammenhang zwischen einem Drehparameter N, P, ω, α (Index: 200) der Nockenwelle 200 mit einem Drehparameter N, P, ω, α (Index: 100) der Kurbelwelle 100, z. B. f: N₁₀₀ = N₂₀₀·2, gegebenenfalls unter Berücksichtigung einer teilweisen Phasenverschiebung zwischen Nockenwelle 200und Kurbelwelle 100 bei bestimmten Zeitspannen/-punkten
PP: Primärprädiktion, ((Parameter-)Verlaufs-)Prädiktion, Prädiktionsmodus
SP: Sekundärprädiktion, ((Parameter-)Verlaufs-)Prädiktion, Prädiktionsmodus
SS: Stationärbetrieb (Steady State), Betriebsmodus der Brennkraftmaschine 1
TS: Instationärbetrieb (Transient State), Betriebsmodus der Brennkraftmaschine 1
ID: Informationsdichte
X: Gewichtungsfaktor zwischen dem Nockenwellensignal und wenigstens einem weiteren Signal V, ABS, PV, TPS, MAP, MAP, BLS, CS, Z
NW: Nockenwellensignal [Alternative der Erfindung: Kurbelwellensignal]
V: Geschwindigkeitssignal
ABS: ABS-Signal, ABS-Raddrehzahlsignal
PV: Fahrpedalsignal
TPS: Drosselklappensignal
MAP: Luftmassensignal
MAP: Saugrohrdrucksignal
BLS: Bremssignal
CS: Kupplungssignal
LS: Signal einer Verbrennungsaussetzungserkennung, aufgrund z. B. einer Lambdasonde, eines Temperaturfühlers, eines NO_x-Sensors
Z: andere Signale
KW': Kurbelwellensignal (nur Stand der Technik)
': Kennzeichnung des Stands der Technik

Claims

Verfahren zum Ermitteln eines aktuellen und/oder eines künftigen Drehparameters (N₁₀₀, P₁₀₀, ω₁₀₀, α₁₀₀) einer Kurbelwelle (100) einer Brennkraftmaschine (1) eines Fahrzeuges, wobei von einer Steuereinrichtung (400) ein Drehparameter (N₂₀₀, P₂₀₀, ω₂₀₀, α₂₀₀) einer Nockenwelle (200) bestimmt wird, und über einen gegebenen funktionalen Zusammenhang (f) eines Drehparameters (N₂₀₀, P₂₀₀, ω₂₀₀, α₂₀₀) der Nockenwelle (200) mit einem Drehparameter (N₁₀₀, P₁₀₀, ω₁₀₀, α₁₀₀) der Kurbelwelle (100) wenigstens ein Drehparameter (N₁₀₀, P₁₀₀, ω₁₀₀, α₁₀₀) der Kurbelwelle (100) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln eines Drehparameters (N₁₀₀, P₁₀₀, ω₁₀₀, α₁₀₀; N₂₀₀, P₂₀₀, ω₂₀₀, α₂₀₀) durch eine Sekundärprädiktion (SP), welche Nockenwellensignale (NW) verarbeitet, und eine Primärprädiktion (PP) erfolgt, welche die Nockenwellensignale (NW) und/oder wenigstens ein zusatzliches Signal (V, ABS, PV, TPS, MAF, MAP, BLS, CS, Z) verarbeitet, welches der Steuereinrichtung (400) zur Verfugung steht, und beim Ermitteln eines Drehparameters (N₁₀₀, P₁₀₀, ω₁₀₀, α₁₀₀; N₂₀₀, P₂₀₀, ω₂₀₀, α₂₀₀) eine Gewichtung (X) von Sekundärprädiktion (SP) und von Primarprädiktion (PP) erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Steuereinrichtung (400) ein Signal (NW) von einem Nockenwellensensor (300) erhalt, der mit einem als Zähnerad ausgebildeten Nockenwellengeberrad (210) zusammenwirkt.
Verfahren gemaß Anspruch 1 oder 2, wobei ein Ermitteln eines Drehparameters (N₁₀₀, P₁₀₀, ω₁₀₀, α₁₀₀) der Kurbelwelle (100) ohne ein direktes Bestimmen eines Drehparameters (N₁₀₀, P₁₀₀, ω₁₀₀, α₁₀₀) der Kurbelwelle (100) erfolgt.
Verfahren gemaß einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei das Ermitteln eines Drehparameters (N₁₀₀, P₁₀₀, ω₁₀₀, α₁₀₀; N₂₀₀, P₂₀₀, ω₂₀₀, α₂₀₀) der Kurbelwelle (100) oder der Nockenwelle (200) durch eine Analyse der Nockenwellensignale (NW) des Nockenwellensensors (300) erfolgt, wobei eine Zahnzeit (Δt_n) wenigstens zweier am Nockenwellensensor (300) vorbeieilender, aufeinanderfolgender Zähne (212) oder Zahnflanken (211, 211; 212, 212; 211, 212; 212, 211) des Nockenwellengeberrads (210) berucksichtigt wird.
Verfahren gemaß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Ermitteln eines Drehparameters (N₁₀₀, P₁₀₀, ω₁₀₀, α₁₀₀; N₂₀₀, P₂₀₀, ω₂₀₀, α₂₀₀) derart erfolgt, dass aus einer Verlaufshistorie eines Drehparameters (N₁₀₀, P₁₀₀, ω₁₀₀, α₁₀₀; N₂₀₀, P₂₀₀, ω₂₀₀, α₂₀₀) der Kurbelwelle (100) oder der Nockenwelle (200) ein Abschätzen über einen Verlauf eines Drehparameters (N₁₀₀, P₁₀₀, ω₁₀₀, α₁₀₀) der Kurbelwelle (100) erfolgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei in einem Betriebmodus (SS, TS) der Brennkraftmaschine (1), insbesondere in einem Stationärbetrieb (SS), ein Drehparameter (N₁₀₀, P₁₀₀, ω₁₀₀, α₁₀₀; N₂₀₀, P₂₀₀, ω₂₀₀, α₂₀₀) von der Steuereinrichtung (400) durch eine zeitliche Interpolation wenigstens einer Zahnzeit (Δt) ermittelt wird.
Verfahren gemaß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei im Rahmen der Primärprodiktion (PP) durch die Steuereinrichtung (400) die zusätzlichen Signale (V, ABS, PV, TPS, MAF, MAP, BLS, CS, Z) verarbeitet werden, und ein Verlauf eines Drehzahlparameters (N₁₀₀, P₁₀₀, ω₁₀₀, α₁₀₀; N₂₀₀, P₂₀₀, ω₂₀₀, α₂₀₀) ermittelt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Primarprädiktion (PP) ein Geschwindigkeitssignal (V) und/oder ein ABS-Signal (ABS) verarbeitet.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Primärprädiktion (PP) ein Fahrpedalsignal (PV), ein Drosselklappensignal (TPS), ein Luftmassensignal (MAF), ein Saugrohrdrucksignal (MAP), ein Bremssignal (BLS), ein Kupplungssignal (CS) und/oder andere Signale (Z) verarbeitet.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Primarprädiktion (PP) ein Fahrerverhalten und/oder eine Topografie berücksichtigt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei im Rahmen der Sekundärprädiktion (SP) durch die Steuereinrichtung (400) die Nockenwellensignale (NW) verarbeitet werden, und ein Verlauf eines Drehzahlparameters (N₁₀₀, P₁₀₀, ω₁₀₀, α₁₀₀; N₂₀₀, P₂₀₀, ω₂₀₀, α₂₀₀) ermittelt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei die Sekundärprädiktion (SP) aus einem Verhältnis wenigstens zweier zeitlich vorangegangener Zahnzeiten (Δt₁, Δt₂, ..., Δt) einen Faktor bildet, der mit der letzten Zahnzeit (Δt) multipliziert, wenigstens eine erste folgende Zahnzeit (Δt_n+1) ermittelt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei ein Drehparameter (N₁₀₀, P₁₀₀, ω₁₀₀, α₁₀₀; N₂₀₀, P₂₀₀, ω₂₀₀, α₂₀₀) von Drehschwingungsanteilen der Nockenwelle 200 bereinigt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Drehschwingungen der Nockenwelle (200) in Abhängigkeit von wenigstens einem der folgenden Parameter der Brennkraftmaschine (1) ermittelt werden: • einer Zylinderzahl, • einer Ventilfederkonstante, • eines Ventilhubs, • einer Steuerketten- oder Zahnriemenkonstruktion, und/oder • von Konstruktionsparametern, insbesondere einer Motorbauweise, einer Anzahl von Nockenwellen (200) und/oder einer Anzahl von Ventilen (30, 31).
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die aus einem Drehparameter (N₁₀₀, P₁₀₀, ω₁₀₀, α₁₀₀; N₂₀₀, P₂₀₀, ω₂₀₀, α₂₀₀) und/oder einer Last der Brennkraftmaschine (1) resultierenden Drehschwingungen der Nockenwelle (200), bevorzugt vorab versuchstechnisch, bestimmt werden, und in der Steuereinrichtung (400) als Korrekturterme gespeichert werden, wobei die Steuereinrichtung (400) im Betrieb der Brennkraftmaschine (1) einen Drehparameter (N₁₀₀, P₁₀₀, ω₁₀₀, α₁₀₀; N₂₀₀, P₂₀₀, ω₂₀₀, α₂₀₀) entsprechend korrigiert.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die Drehschwingungsanteile in einem Drehparameter (N₁₀₀, P₁₀₀, ω₁₀₀, α₁₀₀; N₂₀₀, P₂₀₀, ω₂₀₀, α₂₀₀) durch eine FFT-Analyse bestimmt werden.
Verfahren gemaß einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei die Steuereinrichtung (400) die Drehschwingungsanteile der Nockenwelle (200) im Drehparameter (N₁₀₀, P₁₀₀, ω₁₀₀, α₁₀₀; N₂₀₀, P₂₀₀, ω₂₀₀, α₂₀₀) nach Frequenz, Amplitude und/oder Phasenlage korrigiert.
Verfahren gemaß einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei sich die Gewichtung (X) in Abhängigkeit von einer verfügbaren Informationsdichte (ID) in der Sekundärprädiktion (SP) und in der Primärprädiktion (PP) bestimmt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei diejenige Pradiktion (SP, PP) eine größere Gewichtung (X) erfahrt, welche eine größere Informationsdichte (ID_SP, ID_PP) aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei die Gewichtung (X) fahrgeschwindigkeits- und/oder fahrstufenabhangig ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei bei einem vergleichsweise hohen Drehparameter (N₁₀₀, P₁₀₀, ω₁₀₀, α₁₀₀; N₂₀₀, P₂₀₀, ω₂₀₀, α₂₀₀) die Sekundärprädiktion (SP) und bei einem vergleichsweise niedrigen Drehparameter (N₁₀₀, P₁₀₀, ω₁₀₀, α₁₀₀; N₂₀₀, P₂₀₀, ω₂₀₀, α₂₀₀) Primärprädiktion (PP) priorisiert wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 21, wobei die Primärprädiktion (PP) erst ab einer Mindestfahrgeschwindigkeit eines Fahrzeugs zu tragen kommt, wobei die Mindestfahrgeschwindigkeit bevorzugt zwischen 5 und 35 km/h liegt und bevorzugt 10 ± 2 km/h, insbesondere 20 ± 5 km/h beträgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei im ausgekuppelten Zustand (CS = 1) des Fahrzeugs ausschließlich die Sekundärprädiktion (SP) zu tragen kommt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 23, wobei, insbesondere im Leerlauf der Brennkraftmaschine (1), alle momentbestimmenden und -beeinflussenden Größen zu jedem Zahn (212) der Nockenwelle (200) bestimmt und aktualisiert werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 24, wobei die Primärprädiktion (PP) ein Signal (LS) einer Verbrennungsaussetzungserkennung berücksichtigt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 25, wobei die Verarbeitung der Informationen der Signale (NW; V, ABS, PV, TPS, MAF, MAP, BLS, CS, LS, Z) durch eine Fuzzy-Logik durchgeführt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 26, wobei das Verfahren auf ein direktes Bestimmen eines Drehparameters (N₁₀₀, P₁₀₀, ω₁₀₀, α₁₀₀) der Kurbelwelle (100) angewendet wird, wobei das Nockenwellengeberrad (210) an der Kurbelwelle (100) angeordnet ist, und von der Steuereinrichtung (400) ein Drehparameter (N₁₀₀, P₁₀₀, ω₁₀₀, α₁₀₀) der Kurbelwelle (200) direkt bestimmt wird.
Einrichtung zur Ermittlung eines aktuellen und/oder eines künftigen Drehparameters (N₁₀₀, P₁₀₀, ω₁₀₀, α₁₀₀) einer Kurbelwelle (100) einer Brennkraftmaschine (1), mit einer Steuereinrichtung (400), einem als Zahnerad ausgebildeten Nockenwellengeberrad (210) und einem damit zusammenwirkenden Nockenwellensensor (300), der einen Drehparameter (N₁₀₀, P₁₀₀, ω₁₀₀, α₁₀₀) einer Nockenwelle (200) aufnimmt, und wobei die Einrichtung (10) ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 27 durchführt.
Einrichtung gemäß Anspruch 28, wobei die Steuereinrichtung (400) ein Signal (NW) vom Nockenwellensensor (300) erhält, und die Steuereinrichtung (400) aus dem Signal (NW) des Nockenwellensensors (300) über den gegebenen funktionalen Zusammenhang (f) eines Drehparameters (N₂₀₀, P₂₀₀, ω₂₀₀, α₂₀₀) der Nockenwelle (200) mit einem Drehparameter (N₁₀₀, P₁₀₀, ω₁₀₀, α₁₀₀) der Kurbelwelle (100) wenigstens einen Drehparameter (N₁₀₀, P₁₀₀, ω₁₀₀, α₁₀₀) der Kurbelwelle (100) ermittelt.
Einrichtung gemäß Anspruch 28 oder 29, wobei die Einrichtung (10) zur Ermittlung eines Drehparameters (N₁₀₀, P₁₀₀, ω₁₀₀, α₁₀₀) der Kurbelwelle (100) kein Kurbelwellengeberrad (110') und keinen Kurbelwellensensor (301') aufweist.
Einrichtung gemäß einem der Ansprüche 28 bis 30, wobei das Nockenwellengeberrad ca. 10 bis ca. 30 Zähne (212) aufweist.
Einrichtung gemäß einem der Ansprüche 29 bis 31, wobei das Nockenwellengeberrad (210) ca. 12-1, bevorzugt ca. 14-1, insbesondere ca. 16-1, insbesondere bevorzugt ca. 18-1 und insbesondere besonders bevorzugt ca. 20-1, oder ca. 22-1 Zahne (212) aufweist.
Einrichtung gemäß einem der Ansprüche 29 bis 32, wobei das Nockenwellengeberrad (210) als Zahnrad (210) oder als Blendenrotor (210) ausgebildet ist.
Einrichtung gemäß einem der Ansprüche 29 bis 33, wobei der Nockenwellensensor (300) als induktiver Sensor (300) oder Hallsensor (300) ausgebildet ist.
Brennkraftmaschine mit einer Einrichtung (10) zur Ermittlung eines Drehparameters (N₁₀₀, P₁₀₀, ω₁₀₀, α₁₀₀) einer Kurbelwelle (100) nach einem der Ansprüche 28 bis 34.