-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der
Winkelbeschleunigung einer Antriebswelle einer Brennkraftmaschine
mit Hilfe eines Zahnrads, das mit der Antriebswelle eine Einheit bildet.
-
Bei
einer Brennkraftmaschine mit Zündzeitpunktverstellung
bezeichnet der Begriff „Fehlzündungsphänomen" oder Fehlzündung ein
Phänomen mangelhafter
Verbrennung, das in einem oder mehreren Zylindern auftritt; insbesondere
ist eine Fehlzündung
zurückzuführen auf
Zündaussetzer,
wenn sie durch unzureichende oder keine Energie des Funkens, der
durch die Zündkerze
erzeugt wird, verursacht ist, oder zurückzuführen auf Einspritzaussetzer,
wenn sie durch unzureichende oder keine Benzinversorgung verursacht
ist.
-
Die
Existenz des Fehlzündungsphänomens erweist
sich als besonders nachteilig, da eine mangelhafte Verbrennung einen
Abfall der Motorleistung, ein erhöhtes Niveau an umweltverschmutzenden
Abgasen aus dem Motor und mögliche
permanente Schäden
am Katalysator mit sich bringt. Darum sehen europäische Bestimmungen
(insbesondere die europäische
Richtlinie 70/220 und nachfolgende Änderungen dazu) für Emissionsgrenzwerte
von Kraftfahrzeugen sowohl eine effektive Erkennung des Fehlzündungsphänomens vor
als auch, daß dem Fahrer
die Existenz des Fehlzündungsphänomens mittels
einem am Armaturenbrett blinkenden Licht bewußt gemacht wird. Speziell sehen
die europäischen
Bestimmungen für
Emissionsgrenzwerte von Kraftfahrzeugen vor, daß ein erhöhtes Niveau umweltverschmutzender
Abgase anzuzeigen ist, falls die Anzahl der Fehlzündungen
in einem ersten Zeitintervall (zum Beispiel 1000 OT – obere
Totpunkte) einen ersten Schwellenwert übersteigt, und daß eine dauerhafte
Schädigung
des Katalysators anzuzeigen ist, falls die Anzahl der Fehlzündungen
in einem zweiten Zeitintervall (zum Beispiel 200 OT – obere Totpunkte)
einen zweiten Schwellenwert übersteigt.
-
Derzeit
wird die Erkennung des Fehlzündungsphänomens indirekt
ausgeführt,
d.h. durch Analysieren des Momentanwerts der Winkelbeschleunigung
der Antriebswelle oder des Momentanwerts des Motordrehmoments, da
sich eine direkte Verbrennungsanalyse mittels Sensoren, die in jedem Zylinder
angeordnet sind, aus Kostengründen
als undurchführbar
erwiesen hat.
-
Das
am weitesten verbreitete Verfahren zur Erkennung des Fehlzündungsphänomens besteht
im Analysieren der Winkelbeschleunigung der Antriebswelle; im besonderen
wird, beispielsweise beschrieben in der Patentanmeldung
EP 0 637 738 A1 ,
von einem Signal gebraucht gemacht, das durch ein Zahnrad, auch
phonisches Rad genannt, welches mit der Antriebswelle eine Einheit
bildet, bereitgestellt wird, um den Wert der Winkelbeschleunigung
der Antriebswelle im Verhältnis
zu vorgegebenen Winkelpositionen der Antriebswelle zu berechnen,
und das Fehlzündungsphänomen wird
erkannt, falls der Absolutwert der Winkelbeschleunigung der Antriebswelle
größer als
ein vorgegebener Schwellenwert ist. Es ist klar, daß jegliche
strukturellen (Elliptizität)
oder den Zusammenbau betreffenden (Exzentrizität) Unregelmäßigkeiten des Zahnrads kompensiert
werden müssen,
um zu verhindern, daß diese
mit Geschwindigkeitsänderungen
des Zahnrads verwechselt werden, mit Folgefehlern bei der Anwendung
von Steuerungsstrategien. Die Drehzahl des Zahnrads wird unter Beachtung
eines Winkelfensters analysiert, welches einen einzelnen Punkt der
Motordrehmomenterzeugung enthält,
der einem einzelnen OT entspricht; da die Verteilung der OTs über die
gesamte Umdrehung des Zahnrads eine Funktion der Zylinderanzahl
ist, und da jeder Zahn des Zahnrads kompensiert werden muß, ist klar,
daß das
Verfahren zur Kompensation von Unregelmäßigkeiten des Zahnrads die
Anzahl der Zylinder im System berücksichtigen muß.
-
Es
wurden einige Verfahren zur Bestimmung der Winkelbeschleunigung
der Antriebswelle mittels des Zahnrads vorgeschlagen, die eine Kompensation
für jegliche
Unregelmäßigkeiten
des Zahnrads vorsehen; die Kompensation jeglicher Unregelmäßigkeiten
des Zahnrads wird durchgeführt,
indem ein Vektor aus Korrekturkoeffizienten bestimmt wird, von denen
jeder algebraisch zu den Ergebnissen der jeweiligen Messungen, die
durch Ablesen des Zahnrads gemacht wurden, addiert wird. Die Werte
der Korrekturkoeffizienten werden im Laufe einer Kraftstoffzufuhrunterbrechungsphase
bestimmt, da in diesem Fall keine Verbrennungseffekte vorhanden
sind und kein weiteres Moment erzeugt wird, welches die Geschwindigkeitsmessung
des Zahnrads stört.
Die
DE 192 22 042 ,
DE 195 44 720 ,
US 5 428 991 ,
DE 198 04 327 und
US 5 528 929 offenbaren derartige Verfahren.
-
Allerdings
ist jedes der vorgeschlagenen Verfahren zur Kompensation jeglicher
Unregelmäßigkeiten
des Zahnrads für
eine bestimmte Anzahl von Zylindern ausgelegt und erweist sich somit
als ungeeignet für
einen Motor mit einer vorab unbekannten Anzahl von Zylindern. Daher
ist es notwendig, für
jede Anzahl von Zylindern ein entsprechendes Austauschelektronik,
welches zum Erkennen des Fehlzündungsphänomens geeignet
ist, herzustellen, woraus eine Steigerung der Kosten verbunden mit
dem Fehlen einer Standardisierung folgt, oder es ist notwendig,
in jede Austauschelektronik mehrere Verfahren zur Kompensation jeglicher
Unregelmäßigkeiten
des Zahnrads zu implementieren, die alternativ als Funktion der
Anzahl der Zylinder des Motors verwendet werden, woraus eine Steigerung der
Kosten verbunden mit einer größeren Speichernutzung
der Austauschelektronik folgt.
-
Die
Absicht der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines
Verfahrens zur Bestimmung der Winkelbeschleunigung einer Antriebswelle
einer Brennkraftmaschine mit Hilfe eines Zahnrads, das mit der Antriebswelle
eine Einheit bildet, wobei dieses Verfahren keine der oben beschriebenen
Nachteile aufweist und insbesondere bei einem Motor mit einer vorab
unbekannten Anzahl von Zylindern einsetzbar ist.
-
Erfindungsgemäß wird ein
Verfahren zur Bestimmung der Winkelbeschleunigung einer Antriebswelle
einer Brennkraftmaschine mit Hilfe eines Zahnrads, das mit der Antriebswelle
eine Einheit bildet, bereitgestellt, wie in Anspruch 1 und vorzugsweise
in jedem der nachfolgenden, direkt oder indirekt vom Anspruch 1
abhängenden
Ansprüche
beansprucht.
-
Die
vorliegende Erfindung wird nun unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben, welche eine nicht erschöpfende Ausführungsform davon darstellen,
wobei:
-
1 eine
schematische Skizze in seitlicher Ansicht und im Schnitt ist, von
einer Brennkraftmaschine, die mit einer Austauschsteuerung ausgestattet
ist, welche das Verfahren zur Erkennung des Fehlzündungsphänomens,
welches Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, ausführt;
-
2 ein
Diagramm ist, welches als Funktion der Winkelposition des Zahnrads
den Wert der Zeit angibt, die von jedem benötigt wird, um einen Lesesensor
im Laufe einer Kraftstoffzufuhrunterbrechungsphase zu passieren;
das Diagramm stellt mit einer durchgezogenen Linie eine reale Situation,
in der Zahnradunregelmäßigkeiten
vorhanden sind, und gestrichelt eine ideale Situation dar, in der
keine Zahnradunregelmäßigkeiten
vorhanden sind;
-
3 ein
Diagramm ist, das in der Ebene Winkel Θ/Zeit T einige Werte zeigt,
die von einer Austauschsteuerung für den mit vier Zylindern ausgestatteten
Motor nach 1 während seines Betriebs verwendet
werden; und
-
4 ein
Diagramm ist, das in der Ebene Winkel Θ/Zeit T einige Werte zeigt,
die von einer Austauschsteuerung für einen mit drei Zylindern
ausgestatteten Motor während
seines Betriebs verwendet werden.
-
In 1 bezeichnet
das Bezugszeichen 1 insgesamt eine Brennkraftmaschine,
die mit Benzin versorgt wird und vier Zylinder 2 umfaßt, wovon
jeder jeweils einen Kolben 3 aufnimmt, der mechanisch mit einer
Antriebswelle 4 verbunden ist, um die durch die Verbrennung
des Benzins im jeweiligen Zylinder 2 erzeugte Kraft auf
die Antriebswelle 4 zu übertragen. An
der Antriebswelle 4 ist ein Zahnrad 5 (auch phonisches
Rad genannt) befestigt, welches mit 60 Zähnen 6 ausgestattet
und mit einem magnetischen Sensor 7 gekoppelt ist, welcher
im Stande ist, die verstrichene Zeit zwischen dem Passieren zweier
aufeinanderfolgender Zähne 6 zu
bestimmen. Die Maschine 1 umfaßt auch eine Austauschsteuerung 8,
welche mit dem Sensor 7 verbunden und im Stande ist, unter Nutzung
der Informationen, die durch den mit dem Zahnrad 5 gekoppelten
Sensor 7 bereitgestellt werden, Fehlzündungsphänomene zu erkennen, die im Innern
der Zylinder 2 auftreten.
-
Bei
jeder kompletten Umdrehung der Antriebswelle 4 (und damit
des Zahnrads 5) werden genauso viele Werte acc der Winkelbeschleunigung
der Antriebswelle 4 abgeschätzt, wie es Zylinder 2 gibt, die
während
einer kompletten Umdrehung der Antriebswelle 4 eine Verbrennung
durchführen,
und eine Analyse der Werte acc der Winkelbeschleunigung der Antriebswelle 4 zeigt
die Existenz jeglicher Fehlzündungsphänomene an;
bezugnehmend auf die in 1 dargestellte Maschine 1 werden
folglich zwei Werte acc der Winkelbeschleunigung der Antriebswelle 4 für jede komplette
Umdrehung der Antriebswelle 4 abgeschätzt.
-
Bei
jeder kompletten Umdrehung der Antriebswelle
4 werden zwei
(entsprechend der Anzahl der Zylinder
2, die eine Verbrennung
während
einer kompletten Umdrehung der Antriebswelle
4 durchführen) Winkelmaßlinien
mit gleicher Amplitude identifiziert, die Zeit, welche die Antriebswelle
4 benötigt, um
jede Winkelmaßlinie
zu passieren, wird gemessen, und der Wert acc der Winkelbeschleunigung
der Antriebswelle
4 zum i-ten Zeitpunkt wird durch folgende
Formel bestimmt:
in welcher:
- acci
- die Winkelbeschleunigung
der Antriebswelle 4 zum i-ten Zeitpunkt ist;
- Ti+1
- die Zeit ist, welche
die Antriebswelle 4 benötigt,
um die (i+1)-te Winkelmaßlinie
zu passieren;
- Ti
- die Zeit ist, welche
die Antriebswelle 4 benötigt,
um die i-te Winkelmaßlinie
zu passieren.
-
Die
Zeit, welche die Antriebswelle 4 benötigt, um jede Winkelmaßlinie zu
passieren, wird unter Verwendung des vom Zahnrad 5 bereitgestellten
Signals gemessen; zur Information, es hat jede Winkelmaßlinie eine
Winkelamplitude, die einer Anzahl von drei bis zwölf Zähnen 6 des
Zahnrads 5 entspricht. Vorzugsweise stimmt jede Winkelmaßlinie im
wesentlichen mit dem Expansionsverlauf eines zugehörigen Kolbens 3 überein,
oder überlagert
wenigstens teilweise den Expansionsverlauf eines zugehörigen Kolbens 3.
-
Das
Zahnrad 5 kann von Asymmetrieproblemen (die am häufigsten
auftretenden Mängel
sind Elliptizität
und Exzentrizität)
betroffen sein, welche Zufallsabweichungen in der Zeitspanne der
Zähne hervorrufen,
d.h. in der Zeit, die von jedem Zahn 6 benötigt wird,
um sich entsprechend zum Sensor 1 zu bewegen. Die 2 stellt
ein Diagramm dar, das als Funktion der Winkelposition des Zahnrads 5 den Wert
für die
Zeitspanne der Zähne
im Verlauf einer Kraftstoffzufuhrunterbrechungsphase angibt; in
dem Diagramm gibt eine durchgezogene Linie eine reale Situation
an, in der Unregelmäßigkeiten
im Zahnrad 5 vorhanden sind, und eine gestrichelte Linie
gibt eine ideale Situation an, in der keine Unregelmäßigkeiten
im Zahnrad 5 vorhanden sind. Eine Zufallsabweichung in
der Zeitspanne der Zähne
spiegelt sich in der Messung der Zeit Ti wider,
welche die Antriebswelle 4 benötigt, um jede Winkelmaßlinie zu passieren,
und spiegelt sich dadurch auch in dem abgeschätzten Wert acc für die Winkelbeschleunigung
der Antriebswelle 4 wieder; unkompensierte Asymmetrieprobleme
des Zahnrads 5 können
folglich den Effekt einer Verzerrung der Aufzeichnung von Fehlzündungsphänomenen
haben.
-
Um
jegliche Asymmetrien des Zahnrads 5 zu kompensieren, wird
zu jeder Zeit Ti, welche die Antriebswelle 4 benötigt, um
die i-te Winkelmaßlinie
zu passieren, ein entsprechender Korrekturkoeffizient Ki algebraisch
addiert, der jegliche Asymmetrien des Rads 5, die der i-ten
Winkelmaßlinie
entsprechen, berücksichtigt.
-
Die
Werte der Korrekturkoeffizienten Ki werden
durch die Austauschsteuerung 8 im Verlauf einer Kraftstoffzufuhrunterbrechungsphase
bestimmt, da in diesem Fall keine Verbrennungseffekte vorhanden sind
und kein weiteres Moment erzeugt wird, welches die Messung stört. Die
Anzahl der Zylinder (vier im Fall der Maschine 1, die in 1 gezeigt
ist) wird mit ncyl bezeichnet, der Wert eines Koeffizienten M wird so
bestimmt, daß er
der Anzahl ncyl der Zylinder entspricht, falls die Anzahl ncyl der
Zylinder ungerade ist und der halben Anzahl ncyl der Zylinder entspricht, falls
diese Anzahl ncyl der Zylinder gerade ist. M
= ncyl/2 falls ncyl gerade ist M = ncyl falls
ncyl ungerade ist
-
Im
Verlauf einer Kraftstoffzufuhrunterbrechungsphase wird eine Abfolge
von Zeiten Ti, welche die Antriebswelle 4 benötigt, um
die Winkelmaßlinien zu
passieren, während
einer halben Verbrennungsphase (360°, entsprechend einer kompletten
Umdrehung des Zahnrads 5) aufgenommen, falls die Anzahl ncyl
der Zylinder gerade ist, und während
einer kompletten Verbrennungsphase (720°, zwei komplette Umdrehungen
des Zahnrads 5), falls die Anzahl ncyl der Zylinder ungerade
ist; jede Zeit Ti ist verbunden mit einem
entsprechenden Winkel Θi der Antriebswelle an einem vordefinierten
Punkt (üblicherweise dem
Mittelpunkt) der i-ten Winkelmaßlinie.
Jedes Wertepaar Θi, Ti stimmt jeweils
mit einem Punkt xi in der Ebene Winkel Θi/Zeit T, wie in 3 gezeigt, überein;
es läßt sich
beobachten, daß die
Winkel Θi der Punkte xi Vielfache
desselben Winkelwerts sind (entsprechend 360°/M, d.h. 180° im Fall der Maschine 1 mit
vier Zylindern).
-
Es
wird angenommen, daß in
der Kraftstoffzufuhrunterbrechungsphase die Winkeldrehzahl der Antriebswelle
4 wenigstens
innerhalb eines Zeitintervalls von wenigen kompletten Umdrehungen
der Antriebswelle
4 konstant ist; in Übereinstimmung mit dieser Annahme
wird eine Gerade r bestimmt, die den idealen Verlauf der Entwicklung
der Zeiten T
i interpoliert, welche von der
Antriebswelle
4 benötigt werden,
um die Winkelmaßlinien
zu passieren und, um eine solche Gerade r zu definieren, werden
zwei Punkte x
mold und x
m auf
dieser Geraden mittels der folgenden Gleichung bestimmt (die Punkte
x
mold und x
m entsprechen
jeweils der momentanen Verbrennung und der vorhergehenden Verbrennung):
in welcher Θ
x der Betrag des Winkels für den Punkt x
m, x
mold und T
x der Betrag der Zeit für den Punkt x
m, x
mold ist.
-
Ein
Gradient S der Geraden r wird mit der folgenden Gleichung berechnet:
in welcher T
xm der
Betrag der Zeit für
den Punkt x
m und T
xmold der
Betrag der Zeit für
den Punkt x
mold ist.
-
Die
Projektion unter einem konstanten Winkel x
pi(Θ
pi, T
pi) eines Punktes
x
i (Θ
i, T
i) auf die Gerade r
wird durch die folgenden Formeln bestimmt:
in welchen T
xmold der
Betrag der Zeit für
den Punkt x
mold ist; es ist zu beachten,
daß Θ
pi mit Θ
i zusammenfällt, falls die Projektion x
pi von x
i auf die
Gerade r unter einem konstanten Winkel durchgeführt wird.
-
Für die i-te
Winkelmaßlinie
entspricht der Absolutwert des Korrekturkoeffizienten Ki: Ki = Tpi – Ti wobei Ti der
Betrag der Zeit für
den Punkt xi ist, während Tpi der
Betrag der Zeit für
den Punkt xpi ist, welcher wie oben beschrieben
durch Projektion des Punktes x auf die Gerade r erhalten wird.
-
Der
Standardwert des Korrekturkoeffizienten K
iNOR entspricht:
-
Mit
anderen Worten wird im Laufe einer Kraftstoffzufuhrunterbrechungsphase
eine Abfolge von Zeiten Ti, welche die Antriebswelle 4 benötigt, um die
Winkelmaßlinien
zu passieren, während
einer halben Verbrennungsphase aufgezeichnet, falls die Anzahl ncyl
der Zylinder 2 gerade ist, und während einer ganzen Verbrennungsphase,
falls die Anzahl ncyl der Zylinder 2 ungerade ist; mit
Hilfe der Abfolge der Zeiten Ti, welche
die Antriebswelle 4 benötigt,
um die Winkelmaßlinien
zu passieren, wird eine Gerade r bestimmt, die den idealen Verlauf
der Entwicklung der Zeiten Ti interpoliert,
welche von der Antriebswelle 4 benötigt werden, um die Winkelmaßlinien
zu passieren, in einer durch den Winkel Θ der Antriebswelle 4 und
der Zeit T aufgespannten Ebene. Schließlich ist für die i-te Winkelmaßlinie der
absolute Wert des Korrekturkoeffizienten Ki gleich
der Differenz zwischen dem gemessenen Zeitwert T, den die Antriebswelle 4 benötigt, um
die i-te Winkelmaßlinie
zu passieren, und dem entsprechenden Zeitwert Tpi,
den die Antriebswelle 4 benötigt, um die i-te Winkelmaßlinie zu passieren,
erhalten auf der Geraden r aus einer Projektion des gemessenen Wertes
bei konstantem Winkel.
-
Normalerweise
wird der gesamte Bereich der im Betrieb auftretenden Drehzahlwerte
der Antriebswelle 4 (zum Beispiel 1500 U/min–6000 U/min im
Fall der Maschine 1 nach 1) in Drehzahlbänder unterteilt,
wobei für
jedes Band die Standardwerte der Korrekturkoeffizienten KiNOR unter Verwendung des oben beschriebenen
Verfahrens bestimmt werden. Es ist offensichtlich, daß eine Erhöhung der
Anzahl der Drehzahlbänder
die Qualität
der Korrekturkoeffizienten KiNOR verbessert,
aber zur selben Zeit der Speicherplatzbedarf in der Austauschsteuerung 8 steigt.
Während
der Lebensdauer der Maschine 1 werden für jedes Drehzahlband die Standardwerte der
Korrekturkoeffizienten KiNOR mehrmals berechnet, und
die Werte, die tatsächlich
zum Ausgleichen der Asymmetrien des Zahnrads 5 verwendet
werden, sind das Ergebnis eines gewichteten Mittels der berechneten
Werte.
-
Die 4 stellt
ein Diagramm in der Ebene Winkel Θ/Zeit T analog zum Diagramm
in 3 dar, wobei der einzige Unterschied darin besteht,
daß sich
das Diagramm in 3 auf die Maschine 1 nach 1 mit
vier Zylindern 2 bezieht, wohingegen sich das Diagramm
nach 4 auf eine (nicht gezeigte) Maschine mit drei
Zylindern bezieht.
-
Es
ist zu beachten, daß das
oben beschriebene Kalkulationsverfahren zur Bestimmung des Standardwerts
des Korrekturkoeffizienten KiNOR für jede Anzahl
und Konfiguration von Zylindern gültig ist; aus geometrischen
Gründen
gibt es jedoch minimale Unterschiede im Fall einer geraden Anzahl
ncyl von Zylindern und einer ungeraden Anzahl ncyl von Zylindern,
wobei diese Unterschiede den abweichenden Wert einiger Variablen
verursachen.
-
Das
oben beschriebene Berechnungsverfahren zur Bestimmung des Standardwerts
der Korrekturkoeffizienten KiNOR funktioniert
unabhängig
von der Anzahl und Konfiguration der Zylinder und führt zu Vorteilen
hinsichtlich einfacher Benutzbarkeit und Zuverlässigkeit (eine einzige Lösung für alle Maschinen)
und Geschwindigkeit (keine Konfiguration nötig), insbesondere bei der
Verwendung für
kurzfristige Prototypmodelle und -systeme. Darüber hinaus haben verschiedene
experimentelle Tests gezeigt, daß das oben beschriebene Berechnungsverfahren eine
extrem präzise
und verläßliche Bestimmung
der Standardwerte der Korrekturkoeffizienten KiNOR ermöglicht.