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DE19713182A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Motordrehzahl eines Kraftfahrzeuges - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Motordrehzahl eines Kraftfahrzeuges

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DE19713182A1
DE19713182A1 DE1997113182 DE19713182A DE19713182A1 DE 19713182 A1 DE19713182 A1 DE 19713182A1 DE 1997113182 DE1997113182 DE 1997113182 DE 19713182 A DE19713182 A DE 19713182A DE 19713182 A1 DE19713182 A1 DE 19713182A1
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Peter Dipl Ing Lindmueller
Michael Dipl Ing Ludwig
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Siemens AG
Siemens Corp
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Bestimmung der Motordrehzahl eines Kraftfahrzeuges im Rahmen eines Motortests, insbesondere Abgastest.
Ein wesentlicher Bestandteil von Tests, z. B. Abgastests, an Kraftfahrzeugmotoren ist die Bestimmung der Motordrehzahl. Dies geschieht bisher beispielsweise mit Hilfe von induktiven Drehzahlgebern an der Kurbelwelle oder piezoelektrischen Sen­ soren an den Einspritzleitungen.
Da Kraftfahrzeugmotoren in zunehmendem Maße gekapselt sind, sind sie immer schwerer zugänglich, wodurch das Anbringen der bisher verwendeten Sensoren und Geber erschwert wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, im Rahmen von Mo­ tortests eine besonders bedienungsfreundliche Erfassung der Motordrehzahl zu ermöglichen.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch das in Anspruch 1 angegebene Verfahren bzw. die in Anspruch 8 angegebene Vor­ richtung gelöst.
Der wesentliche Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der Ort zur Erfassung einer drehzahlabhängigen Meßgröße, hier der Druckschwankungen am Auspuff, an eine Stelle außerhalb des Kraftfahrzeuges verlegt ist, so daß dadurch der Bedienungs­ komfort bei der Bestimmung der Motordrehzahl wesentlich ge­ steigert wird; insbesondere ergeben sich keine Probleme mit gekapselten und daher nur schwer zugänglichen Motoren.
Die Druckschwankungen können im Rahmen der Erfindung mittels eines Mikrofons oder mittels eines Drucksensors erfaßt wer­ den. Im letzteren Fall wird vorzugsweise ein als Bestandteil eines Motortesters zum Messen und/oder Überwachen von Gas­ drucken vorgesehener Drucksensor verwendet. Ein Beispiel hierfür ist der aus der DE-A-40 17 472 bekannte Abgastester, der einen im Zusammenhang mit einer Durchflußmengenmessung verwendeten Drucksensor enthält.
Die Motordrehzahl wird vorzugsweise durch Frequenzanalyse der erfaßten Druckschwankungen an dem Auspuff ermittelt. Hierfür geeignete Verfahren sind die schnelle Fourier-Transformation oder das Zählen von Nulldurchgängen der Druckschwankungen in­ nerhalb eines vorgegebenen Zeitfensters.
Die Frequenzanalyse der Druckschwankungen wird durch über­ lagerte Störanteile erschwert, die neben den ausschließlich drehzahlabhängigen Nutzanteilen auftreten und z. B. dadurch hervorgerufen werden, daß der Motor in Abhängigkeit von der Anzahl seiner Arbeitstakte und Zylinder beschleunigt wird und daher unrund läuft. Eine sichere Bestimmung der Motordrehzahl durch Fouriertransformation oder durch Zählen von Nulldurch­ gängen ist dann mit einem sehr hohen Rechenaufwand verbunden. Demgegenüber ist die in Anspruch 5 angegebene alternative Möglichkeit der Frequenzanalyse mit einem geringeren Rechen­ aufwand verbunden. Dabei werden die am Auspuff erfaßten Druckschwankungen laufend mit einem Schätzsignal mit ange­ nommener Frequenz und veränderbarer Phase verglichen, wobei das Schätzsignal bezüglich seiner Phase in Abhängigkeit von dem zwischen ihm und den Druckschwankungen vorhandenen Pha­ senunterschied korrigiert wird. Die zeitliche Phasenänderung ist dann ein Maß für den Fehler der angenommenen Frequenz des Schätzsignals, die entsprechend korrigiert wird. Die so kor­ rigierte Frequenz wird zur Bestimmung der Motordrehzahl her­ angezogen. Auf diese Weise wird die sich in Abhängigkeit von der Motordrehzahl ändernde zeitvariante Frequenz der Druck­ schwankungen bestimmt, wobei der verwendete Algorithmus auch bei einem ungenauen Startwert für die angenommene Frequenz des Schätzsignals konvergiert. Dabei ist lediglich erforder­ lich, daß der Startwert für die angenommene Frequenz des Schätzsignals in der Nähe der Frequenz der ausschließlich drehzahlabhängigen Nutzanteile der Druckschwankungen liegt, so daß die laufende Korrektur der Frequenz des Schätzsignals in Richtung auf die Frequenz der Nutzanteile und nicht in Richtung auf die Frequenz irgend eines Störanteils der Druck­ schwankungen erfolgt.
Um eine möglichst gute Nachbildung der Druckschwankungen durch das Schätzsignal zu erhalten, wird das Schätzsignal vorzugsweise aus einer oder mehreren mit dem Verlauf der Druckschwankungen korrelierenden Basisfunktionen gebildet. Zur Bildung der Basisfunktionen werden dann typische Druck­ schwankungsverläufe herangezogen.
Bei einer sich durch ihre Einfachheit auszeichnenden Alter­ native wird als Schätzsignal ein sinusförmiges Signal ver­ wendet, das aus zwei um π/2 phasenverschobenen und jeweils mit einem Modellparameter gewichteten Sinussignalen gebildet wird, wobei sich die Amplitude des Schätzsignals aus der Wur­ zel über die Summe der Quadrate der Modellparameter und die Phase aus dem Arcustangens des Quotienten der Modellparameter ergibt.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im folgenden auf die Figur der Zeichnung Bezug genommen, die ein Beispiel für die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung der Motor­ drehzahl eines Kraftfahrzeuges im Rahmen eines Motortests zeigt.
Mit 1 ist ein Kraftfahrzeug bezeichnet, dessen Motordreh­ zahl n im Rahmen eines Motortests, hier eines Abgastests, bestimmt werden soll. Für den Abgastest werden die über den Auspuff 2 des Kraftfahrzeuges 1 ausgestoßenen Abgase mittels eines Entnahmesystems 3 einem Abgastester 4 zugeführt. Dieser enthält eine Einrichtung 5 zur Gasanalyse, die die Abgase analysiert und das Ergebnis an einem Ausgang 6 bereitstellt. In einem seitlichen Stutzen 7 des Entnahmesystems 3 ist ein Drucksensor 8 angeordnet, der hier zur Überwachung des Gas­ drucks in dem Entnahmesystem 3 auf Überschreiten eines Maxi­ malwertes dient und entsprechend die Einrichtung 5 zur Gas­ analyse steuert.
Um das Ergebnis der Abgasanalyse für eine weitere Auswertung zusammen mit der jeweiligen Motordrehzahl n bereitstellen zu können, werden die im Bereich des Auspuffs 2 auftretenden Druckschwankungen erfaßt und zur Bestimmung der Motordreh­ zahl n herangezogen. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel werden mit Hilfe des Drucksensors 8 die Druckschwankungen in dem Entnahmesystem 3 erfaßt und einer Signalverarbeitungsein­ richtung 9 zugeführt, die im Rahmen einer Frequenzanalyse der Druckschwankungen die Motordrehzahl n berechnet. Wie gestri­ chelt dargestellt ist, können die Druckschwankungen alter­ nativ auch mit Hilfe eines Mikrofons 10 in Auspuffnähe erfaßt werden.
Die erfaßten Druckschwankungen enthalten neben ausschließlich drehzahlabhängigen Nutzanteilen mit einer zu ermittelnden Frequenz fn auch Störanteile, die z. B. durch einen unrunden Lauf des Motors hervorgerufen werden. In der Signalverarbei­ tungseinrichtung 9 wird die Frequenz fn und daraus folgend die Motordrehzahl n ermittelt. Hierzu wird zunächst das von dem Drucksensor 8 bzw. dem Mikrofon 10 gelieferte Druck­ schwankungssignal über einen Verstärker 11 und ein Bandpaß­ filter 12 einem Analog-/Digital-Umsetzer 13 zugeführt, der mit einer von einem Taktgeber 20 gelieferten Abtastfrequenz fA = 1/Ta gesteuert wird und ausgangsseitig Abtastwerte y(k), k = 0, 1, 2, . . ., des Druckschwankungssignals y(t) erzeugt.
In einem Signalmodell 14 wird für den Nutzanteil des Signals y(t) mit der Frequenz fn ein Schätzsignal (t) ermittelt. Dieses Schätzsignal (t) weist als Startwert eine anfänglich angenommene Frequenz in der Nähe der Frequenz fn auf. Ferner ist die Phasenlage des Schätzsignals (t) durch zumindest einen Modellparameter des Signalmodells 14 bestimmt. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird als Schätzsignal (t) ein sinusförmiges Signal mit der Amplitude A und der Phase ϕ ver­ wendet, das wie folgt aus zwei orthogonalen, also um π/2 pha­ senverschoben, und jeweils mit einem Modellparameter b1 und b2 gewichteten Sinussignalen zusammengesetzt ist:
(t)=A.sin(ωt+ϕ)=b1.sinωt+b2.cosωt (Gl. 1)
Damit gilt für die Amplitude A und die Phase ϕ:
A=√b₁²+b₂² (Gl. 2)
ϕ = arctan (b2/b1) (Gl. 3)
Da die Signalverarbeitung in der Einrichtung 9 digital er­ folgt, werden anstelle des analogen Schätzsignals (t) zeit- und wertediskrete Stützwerte (k) verwendet, wobei gilt:
(k)=b1.sinkΩ+b2.coskΩ (Gl. 4)
Allgemein lassen sich N Stützwerte (k) in einem Vektor zusammenfassen, der aus einer Matrix X mit Basisfunktionen und einem Parametervektor besteht:
=X. (Gl. 5)
Bei dem hier verwendeten sinusförmigen Schätzsignal gilt speziell:
Das Druckschwankungssignal y(t) und das Schätzsignal (t) bzw. die Abtastwerte y(k) und Stützwerte (k) werden in einer Vergleichseinrichtung 15 miteinander verglichen. Als Ergebnis des Vergleichs wird ein Schätzfehler e(t) bzw. e(k) erhalten, aufgrund dessen die Modellparameter b1 und b2 in einem hier durch einen Funktionsblock 16 bezeichneten Algo­ rithmus im Sinne einer Verringerung des Schätzfehlers ver­ ändert werden. Um laufend eine Aktualisierung der Modell­ parameter b1 und b2 zu erhalten, wird bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ein rekursiver Algorithmus verwendet, bei dem die jeweils neuen, aktuellen Modellparameter (k)=(b1(k), b2(k)) in Abhängigkeit von den zuvor ermit­ telten Modellparametern (k-1)=(b1(k-1), b2(k-1)) und dem mit einem Gewichtsvektor (k) gewichteten Schätzfehler e(k) wie folgt ermittelt werden:
(k)=(k-1)+(k).e(k) (Gl. 7)
Zur Bestimmung des Gewichtsvektors (k) gibt es verschiedene Möglichkeiten, wobei hier, um den Rechenaufwand so gering wie möglich zu halten, der Parametervektor nach dem stochasti­ schen Gradientenverfahren um eine Schrittweite β in Richtung des negativen Gradienten des Fehlerquadrats e2(k) korrigiert wird. Für den Schätzfehler e(k) gilt:
wobei (k) den aktuellen Zeilenvektor der Modellmatrix X bezeichnet. Der neue, aktuelle Parametervektor (k) berech­ net sich somit nach dem stochastischen Gradientenverfahren wie folgt:
Ein Vergleich mit der Gleichung Gl. 7 zeigt, daß sich damit der Gewichtsvektor (k) zu
(k)=β.(k) (Gl. 10)
ergibt.
Mit den aktualisierten Modellparametern b1 und b2 ergibt sich entsprechend den Gleichungen Gl. 2 und Gl. 3 eine Angleichung des Schätzsignals (t) bezüglich seiner Amplitude A und Pha­ se ϕ an das Druckschwankungssignal y(t). Da das Schätzsignal (t) bezüglich seiner Phase ϕ dem Signal y(t) nachfolgt, können Abweichungen zwischen der angenommenen Frequenz des Schätzsignals (t) und der davon nachzubildenden Frequenz fn der Nutzanteile des Druckschwankungssignals y(t) und somit auch Frequenzänderungen der Nutzanteile über zeitliche Ände­ rungen der Phase ϕ des Schätzsignals (t) erfaßt werden.
Dabei gilt:
Δω.TA=Δϕ=ϕ(k)-ϕ(k-1) (Gl. 11)
Voraussetzung ist, daß der Startwert der Frequenz des Schätz­ signals (t) in der Nähe der zu ermittelnden Frequenz, hier fn, liegt, so daß der verwendete Algorithmus in Richtung auf diese Frequenz fn zu und nicht zu einer Störfrequenz hin kon­ vergiert. Auf die Ermittlung des Startwertes wird später noch näher eingegangen.
Die Berechnung der Phasenänderung Δϕ=ϕ(k)-ϕ(k-1) aus den Modellparametern b1 und b2 erfolgt in einem Funktionsblock 17. Wegen der Mehrdeutigkeit der in der Gleichung Gl. 3 an­ gegebenen Arcustangens-Funktion und der relativ großen Inter­ polationsfehler, die bei einer aus Gründen der Verringerung des Rechenaufwandes vorgesehenen linearen Interpolation der Arcustangens-Funktion im Bereich ihrer Unstetigkeitsstellen auftreten, erfolgt die Berechnung der Phasenänderung Δϕ bei dem gezeigten Beispiel nach der Beziehung:
Da die Phasenänderung Δϕ im Bereich kleiner Winkel liegt, ergeben sich bei der Interpolation keine Probleme.
Wie durch die gestrichelte Verbindung 18 zwischen dem Funk­ tionsblock 17 und dem Signalmodell 14 angedeutet ist, kann mit der berechneten Phasenänderung Δϕ die Frequenz =Ω/2π des Schätzsignals (t) (vgl. Gleichung Gl. 1) um den Betrag Δω=Δϕ/TA korrigiert werden. Aus der so korrigierten Fre­ quenz des Schätzsignals (t), die sich, wie bereits er­ läutert, der Frequenz fn angleicht und dieser nachfolgt, wird dann in einem Funktionsblock 19 direkt die aktuelle Motor­ drehzahl n berechnet.
Einfacher ist es, zusätzlich zu der Frequenz des Schätz­ signals (t) auch die Abtastfrequenz fA des Taktgebers 20 in der Weise nachzuführen, daß die Periodendauer 2π/ω der Fre­ quenz des Schätzsignals (t) ein ganzzahliges Vielfaches N der Abtastperiode TA=1/fA beträgt, so daß gilt:
ω.TA=Ω=2π/N (Gl. 13)
Damit wird eine phasenstarre und sich periodisch wieder­ holende Zuordnung zwischen den Nutzanteilen des Druckschwan­ kungssignals y(t) und dem Schätzsignal (t) bzw. zwischen den Abtastwerten y(k) und den Stützwerten (k) erzielt. Das hat zur Folge, daß für die in Gleichung Gl. 6 angegebene Modellmatrix X nur N Zeilenvektoren benötigt werden, die somit nicht mehr laufend berechnet, sondern in einer Tabelle hinterlegt und aus dieser entnommen werden können. So ergibt sich z. B. für N=4 und Ω = 2π/N=π/2 folgende Berech­ nungsvorschrift für die Stützwerte (k) des Schätzsignals (t)
Nach jeder Neuberechnung der Modellparameter b1 und b2 wird auch die Abtastperiode TA wie folgt korrigiert:
Je kleiner γ ist, um so größer ist die Störsicherheit, aber um so langsamer auch die Konvergenz.
Die Frequenz des Schätzsignals (t) ergibt sich dann zu:
Aus der Frequenz , die sich der Frequenz fn angleicht und dieser bei Frequenzänderungen nachfolgt, wird anschließend in dem Funktionsblock 19 die Motordrehzahl n berechnet.
Der Startwert der Frequenz des Schätzsignals (t) kann bei konstanter Motordrehzahl mittels einer in einer hier nicht gezeigten Recheneinrichtung durchgeführten Fourier-Transfor­ mation des Druckschwankungssignals y(t) ermittelt werden. Der Rechenaufwand hierfür ist relativ gering, weil sich das Fre­ quenzspektrum des Druckschwankungssignals y(t) wegen der kon­ stanten Motordrehzahl nicht ändert und daher genügend Rechen­ zeit zur Verfügung steht.
Eine alternative Möglichkeit der Ermittlung des Startwertes besteht darin, bei konstanter Motordrehzahl nacheinander Schätzsignale (t) mit unterschiedlichen Startwerten für ihre Frequenz zu erzeugen und anschließend denjenigen Start­ wert auszuwählen, bei dem das Schätzsignal (t) mit seiner Frequenz zu einem plausiblen Frequenzwert hin konvergiert.
Wie bereits erwähnt, weist das Druckschwankungssignal y(t) auch Frequenzanteile außerhalb der interessierenden Frequenz fn auf. Da die Abtastperiode TA nach jedem Rekursionsschritt zur Neuberechnung der Modellparameter b1 und b2 korrigiert wird, können insbesondere starke niederfrequente Wechselspan­ nungsanteile Stabilitätsprobleme mit sich bringen. So führt eine Störfrequenz zu Schwankungen des geschätzten Parameter­ vektors und der Abtastfrequenz TA. Dagegen können ver­ schiedene Maßnahmen ergriffen werden. Zum einen können, wie dies bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel vorgesehen ist, die Störanteile durch Herausfiltern mittels des Bandpaßfil­ ters 12 eliminiert werden. Hierdurch können Störungen belie­ biger Frequenz unterdrückt werden, sofern sie nicht zu nahe an der interessierenden Frequenz fn liegen.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Phasendifferenz Δϕüber N Schritte zurückzuberechnen: Δϕ=ϕ(k)-ϕ(k-N). Alternativ dazu kann auch die Phasendifferenz Δ(ϕ) einer Mittelwertfilterung der Länge N unterzogen werden, bevor die Frequenzkorrektur durchgeführt wird.
Eine dritte Möglichkeit besteht darin, den Parametervektor erst nach N Abtastschritten zu korrigieren und die Korrektur aus den N Abtastwerten zu berechnen. Hierdurch wird der Rechenaufwand weiter reduziert, weil die Berechnung der neuen Abtastfrequenz fA nicht schon nach einer, sondern erst nach N Abtastperioden TA abgeschlossen sein muß. Zum anderen wird nicht nur die Konvergenz der Frequenznachführung verbessert, sondern auch die des Signalmodells, da Störungen bereits bei der Neuberechnung der Modellparameter b1 und b2 eliminiert werden.

Claims (11)

1. Verfahren zur Bestimmung der Motordrehzahl (n) eines Kraftfahrzeuges (1) im Rahmen eines Motortests, insbesondere Abgastests, dadurch gekennzeichnet, daß Druck­ schwankungen im Bereich des Auspuffs erfaßt werden und daß die Motordrehzahl (n) aus den Druckschwankungen ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Motordrehzahl (n) durch Frequenzanalyse der erfaßten Druckschwankungen ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Frequenzanalyse eine schnelle Fourier-Trans­ formation beinhaltet.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Frequenzanalyse Nulldurchgänge der Druck­ schwankungen innerhalb eines vorgegebenen Zeitfensters ge­ zählt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Frequenzanalyse mittels eines Signalmodells (14) ein Schätzsignal () für die Druckschwankungen mit einer angenommenen Frequenz () und einer durch zumindest einen veränderbaren Modellparameter (b1, b2) bestimmten Phase ermittelt wird, daß das Schätzsignal () laufend mit den erfaßten Druckschwankungen verglichen wird und in Abhängig­ keit von dem dabei ermittelten Schätzfehler (e) der zumindest eine Modellparameter (b1, b2) im Sinne einer Verringerung des Schätzfehlers (e) adaptiv verändert wird, daß in Abhängigkeit von der adaptiven Änderung des zumindest einen Modellparame­ ters (b1, b2) die daraus folgende Änderung (Δϕ) der Phase des Schätzsignals () ermittelt wird, daß die angenommene Fre­ quenz () des Schätzsignals () entsprechend der zeitlichen Änderung der Phase (ϕ) korrigiert wird und daß die korri­ gierte Frequenz zur Bestimmung der Motordrehzahl (n) heran­ gezogen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß das Schätzsignal aus einer oder mehreren, mit dem Verlauf der Druckschwankungen korrelierenden Basisfunktionen gebildet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß das Schätzsignal () aus zwei um π/2 phasenver­ schobenen und jeweils mit einem Modellparameter (b1, b2) ge­ wichteten Sinussignalen gebildet wird, wobei sich die Ampli­ tude des Schätzsignals () aus der Wurzel über die Summe der Quadrate der Modellparameter (b1, b2) und die Phase aus dem Arcustangens des Quotienten der Modellparameter (b1, b2) er­ gibt.
8. Vorrichtung zur Bestimmung der Motordrehzahl (n) eines Kraftfahrzeuges (1) im Rahmen eines Motortests, insbesondere Abgastests, gekennzeichnet durch eine Druckschwan­ kungen im Bereich des Auspuffs (2) erfassende Einrichtung (8, 10) und eine nachgeordnete Signalverarbeitungseinrichtung (9) zur Ermittlung der Motordrehzahl (n) aus den Druckschwankun­ gen.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die die Druckschwankungen erfassende Ein­ richtung ein Mikrofon (10) ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die die Druckschwankungen erfassende Ein­ richtung ein Drucksensor (8) ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Drucksensor (8) ein zum Messen und/oder Überwachen von Gasdrucken vorgesehener Bestandteil eines Mo­ tortesters (4) ist.
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