DE10107892A1 - Verfahren zur Identifikation des Geberradfehlers im Fahrbetrieb - Google Patents

Verfahren zur Identifikation des Geberradfehlers im Fahrbetrieb

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Identifikation des Geberradfehlers, vorzugsweise für Geberräder an der Kurbelwelle von Brennkraftmaschinen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den aus Fertigungstoleranzen des Geberrades sowie dessen Anbau bedingten Fehler zu identifizieren und einen segmentspezifischen, drehzahlunabhängigen Korrekturwert zum Ausgleich dieser Fehler zu ermitteln. DOLLAR A Ein relativ zum Geberrad (1) feststehender Sensor (2) tastet dabei die Segmente des Geberrades (1) ab und aus der aufgenommenen Pulsfolge für jedes Geberradsegment wird eine Winkelgeschwindigkeit berechnet, wobei die Fehleridentifikation im Schubbetrieb des Motors erfolgen soll. Ausgehend von der kinetischen Energie der Kurbelwelle DOLLAR F1 für jedes Segment des Geberrades, wird ein Fehlerwert aus der Verfahrensgleichung DOLLAR F2 ermittelt, wobei DOLLAR I3 die gemessene, fehlerbehaftete Winkelgeschwindigkeit ist und der Fehlerwert delta' vorzugsweise als differentieller Winkelfehler mit DOLLAR F4 definiert ist, THETA das Massenträgheitsmoment der Kurbelwelle ist und die kinetische Energie in einen über dem Kurbelwinkel konstanten, drehzahlabhängigen Anteil DOLLAR I5 und einen gasmomentabhängigen Anteil DOLLAR I6 aufgeteilt wird. Der Anteil DOLLAR I7 wird über eine Kurbelwellenumdrehung aus der gemittelten Winkelgeschwindigkeit DOLLAR I8 und dem mittleren Massenträgheitsmoment DOLLAR F9 berechnet, wobei der Anteil E¶p¶ sich als Summe aus einem zum Saugrohrdruck p¶Saug¶, zum Abgasgegendruck p¶Abgas¶ und zum Atmosphärendruck p¶0¶ ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Identifikation des Geberradfehlers nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Verfahren zur Identifikation und Kompensation des Geberradfehlers sind insbesondere zur genauen Ermittlung der Motordrehzahl und zur Lagebestimmung der Kurbelwelle notwendig. Die Motordrehzahl beeinflusst eine Reihe von Funktionen der Motorsteuerung. Fehler oder Ungenauigkeiten der Drehzahlerfassung wirken sich z. B. negativ auf die Regelkreise der Leerlauf- und Laufruheregelung aus. Weiterhin ist eine genaue Erfassung der Winkelgeschwindigkeit für kurbelwinkelgesteuerte Einspritzsysteme (z. B. Pumpe-Düse- Einspritzsysteme) notwendig, da aus der Momentan-Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle Einspritzbeginn und -ende extrapoliert werden.
Allgemein vorbekannt ist es, zur Messung der Drehzahl und Winkellage der Kurbelwelle von Brennkraftmaschinen ein mit der Kurbelwelle umlaufendes Geberrad drehfest anzuordnen, das Markierungen oder Segmente aufweist, die von einem feststehenden Sensor abgetastet werden. Allgemein üblich sind metallische Geberräder z. B. mit einer 60-2 Zahnteilung, die von einem Hall-Sensor oder einem induktiven Geber abgetastet werden, wobei die so erzeugte Pulsfolge ausgewertet und daraus Drehzahl und Winkelstellung der Kurbelwelle berechnet werden.
Vorbekannt ist aus der Schrift DE 195 40 674 A1 ein Adaptionsverfahren zur Korrektur von Toleranzen eines Geberrades. Es werden für jedes Geberradsegment drehzahlabhängige Adaptionswerte berechnet und in einem Kennfeld (Zahnsegment/Drehzahlbereich) abgespeichert. Die Adaptionswerte werden aus der Messung der Durchlaufzeiten der Einzelsegmente bezogen auf einen Mittelwert über eine gesamte Umdrehung des Geberrades berechnet. Der Einfluss des Quantisierungsfehlers sowie des Last-, Massen- und Gasmomentes werden in einer Kleinsignalnäherung auf Schwankungen in der gemessenen Zeitdauer zwischen zwei Segmenten umgerechnet. Es werden segmentspezifische Adaptionswerte gebildet, wobei die Fertigungstoleranzen des Geberrades, dessen Anbaufehler sowie der Einfluss der drehzahlabhängigen Massen- und Gaskräfte in die Adaptionswerte eingehen.
Die Adaptionswerte beinhalten die vom Geberrad herrührenden Zahnteilungsfehler, Fehler der Zentrierung beim Anbau und die vom Motor durch Last- und Massenmomente sowie die Gaskräfte herrührenden Drehungleichförmigkeiten. Die von den Massen- und Gaskräften herrührenden, auf die Kurbelwelle einwirkenden Momente wirken sich in einer ungleichmäßigen Winkelgeschwindigkeit aus, sind jedoch keine Fehler des Geberrades. Der Einfluss dieser Momente ist zudem drehzahlabhängig, sodass für verschiedene Drehzahlbereiche jeweils Korrekturwerte ermittelt werden müssen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den aus Fertigungstoleranzen des Geberrades sowie dessen Anbau bedingten Fehler zu identifizieren und einen segmentspezifischen, drehzahlunabhängigen Korrekturwert zum Ausgleich dieser Fehler zu ermitteln.
Diese Aufgabe wird bei gattungsgemäßen Verfahren erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird für jedes Segment ein Korrekturwert ausgehend von der kinetischen Energie der Kurbelwelle ermittelt. Die auf die Kurbelwelle einwirkenden Momente werden erfindungsgemäß vorteilhaft in einen drehzahlabhängigen, über den Kurbelwinkel konstanten sowie einen vom Kurbelwinkel abhängigen Anteil aufgeteilt. Diese Trennung ermöglicht die Bestimmung der vom Geberrad und dessen Anbau herrührenden Fehler (Zahnteilungsfehler und Fehler der Zentrierung zur Kurbelwelle) unabhängig von den Gaskräften und Lastmomenten. Es ist damit ein drehzahlunabhängiger Fehlerwert für jedes Segment ermittelbar.
Erfindungsgemäß vorteilhaft können die Funktionen GSaug, GAbgas und G0 aus der Motorgeometrie und den Steuerzeiten berechnet werden. Die Korrekturwerte für die Geberradsegmente sind dabei durch die Messung der Winkelgeschwindigkeit und der Druckwerte bestimmbar.
Erfindungsgemäß vorteilhaft können die Parameter GSaug, GAbgas und G0 entsprechend Anspruch 2 durch Messungen in verschiedenen Drehzahlbereichen bestimmt werden. Man kann diese Parameter und somit den Fehlerwert durch Lösen eines Gleichungssystems bestimmen, wobei durch n Messungen n Gleichungen für die Bestimmung der n Unbekannten aufgestellt und gelöst werden. Im Falle der grundlegenden Verfahrensgleichung nach Anspruch 1 werden für jedes Segment 4 Messungen benötigt, um GSaug, GAbgas, G0 und δ' zu bestimmen.
Wird einer oder werden mehrere der Parameter durch Berechnung bestimmt, so werden entsprechend weniger Messungen pro Segment benötigt.
Erfindungsgemäß vorteilhaft werden entsprechend Anspruch 3 der Abgasgegendruck PAbgas und der Umgebungsdruck po konstant gehalten, wodurch die Terme GAbgas.PAbgas und G0.p0 zu E03 = GAbgas.PAbgas + G0.P0 zusammengefasst werden und sich die Verfahrensgleichung zu
ergibt, die durch drei Messungen in verschiedenen Drehzahlbereichen gelöst wird. Wird in der Gleichung die Funktion GSaug entsprechend Anspruch 4 berechnet, können die Unbekannten E03 und δ' durch zwei Messungen bestimmt werden.
In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechend Anspruch 5 werden der Saugrohrdruck pSaug, der Abgasgegendruck PAbgas und der Umgebungsdruck p0 konstant gehalten, wobei die G-Terme zu E013 = GSaug.pSaug + GAbgas.pAbgas + G0.p0 zusammengefasst werden, da diese als Konstanten im Gleichungssystem erscheinen. Der Geberradfehler δ' wird dann durch die
mit zwei Messungen ermittelt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden entsprechend Anspruch 6 die kurbelwinkelperiodischen Nebenmomente, wie sie z. B. vom Ventiltrieb oder den Einspritzelementen herrühren, in die Berechnung der kinetischen Energie der Kurbelwelle einbezogen. Der Wechselanteil der Energie für den Nebentrieb berechnet sich aus dem Wechselanteil Neben des Nebenmoments MNeben durch Integration über den Kurbelwinkel ϕ:
ENeben = ∫Nebendϕ
Die allgemeine Verfahrensgleichung unter Berücksichtigung der Nebenmomente lautet dann
Die Größe ENeben ist ein Parameter und erhöht somit nicht die Zahl der Unbekannten in der Verfahrensgleichung.
Die Erweiterung der Verfahrensgleichung um ENeben ist bei allen Ausgestaltungen (Ansprüche 1-5) möglich, wodurch sich die Genauigkeit der Berechnung des Geberradfehlers erhöht.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden in der Zeichnung anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben.
Hierbei zeigt:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines Aufbaus zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 2 einen Ablaufplan zur Durchführung des Verfahrens.
Fig. 1 zeigt einen möglichen Aufbau zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Prinzipdarstellung. Ein Geberrad 1 mit umfangsverteilten Markierungen, vorzugsweise Zahnsegmenten - nicht dargestellt - ist drehfest mit eine Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors - nicht dargestellt - verbunden, wobei ein relativ zum Geberrad 1 feststehender Sensor 2 die Markierungen auf dem Geberrad 1 überwacht und eine dazu äquivalente Pulsfolge erzeugt, welche eingangsseitig einer an den Sensor 2 angeschlossenen Auswerteeinheit 3 anliegt. Es wird die Zeit Δt zwischen zwei Nulldurchgängen der Pulsfolge, welche die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zahnsegmenten repräsentiert, mit einem Timerbaustein gemessen und mit der Zahnteilung Δz des Geberrades wird nach Formel
die Winkelgeschwindigkeit des Motors berechnet. Die Zahnteilung Δz ist aufgrund von Fertigungstoleranzen nicht konstant. Zusätzlich wirken sich Anbaufehler oder Beschädigungen des Geberrades (Deachsierung und Höhenschlag) als Fehler auf die Winkelgeschwindigkeit aus. Weiterhin können von der Kurbelwinkelstellung abhängige, asymmetrische Streufelder die Winkelgeschwindigkeit verfälschen. Diese Fehler verschieben die Nulldurchgänge des Signals um einem Fehlerwinkel Δϕ.
Das Steuergerät misst dadurch eine fehlerbehaftete Winkelgeschwindigkeit, die sich damit zu
ergibt. Der differentielle Geberradfehler ist mit
definiert, wobei durch algebraisches Umformen von (2) und Einsetzen von (3) die fehlerbehaftete Winkelgeschwindigkeit
lautet und der differentielle Geberradfehler δ' durch das erfindungsgemäße Verfahren berechnet wird. Die korrekte Winkelgeschwindigkeit ergibt sich nach
Zur Berechnung des Geberradfehlers wird der Energieerhaltungssatz für die kinetische Energie der Kurbelwelle nach
aufgestellt, wobei Θ das Massenträgheitsmoment der Kurbelwelle ist, das aufgrund der Kurbelkinematik eine Funktion des Kurbelwinkels ist. Diese Funktion wird mit den Massen und Abmessungen von Kurbelwelle, Kolben und Pleuel berechnet und steht somit als bekannter Parameter zur Verfügung. Durch Einsetzen der fehlerbehafteten Winkelgeschwindigkeit e nach (4) ergibt sich die kinetische Energie der Kurbelwelle zu
Die kinetische Energie Ekin lässt sich aufteilen in einen über den Kurbelwinkel konstanten, aber drehzahlabhängigen Anteil und einen gasmomentabhängigen Anteil Ep, woraus sich
Ekin = + Ep (8)
ergibt.
Der drehzahlabhängige Anteil ist mit der über eine Kurbelwellenumdrehung gemittelten Winkelgeschwindigkeit und dem mittleren Massenträgheitsmoment nach
berechenbar.
Der Anteil Ep ist aufgrund der periodischen Ladungswechsel-, Kompressions- und Verbrennungskräfte abhängig vom Saugrohrdruck und dem Verbrennungsverlauf.
Im Schub findet keine Verbrennung statt, somit gibt es auch keine Verbrennungskräfte. Die Energiebeiträge von Ladungswechsel, Kompression und Expansion lassen sich in einen zum Saugrohrdruck pSaug proportionalen Anteil, einen zum Abgasgegendruck pAbgas proportionalen Anteil und einen zum Atmosphärendruck p0 abhängigen Anteil aufteilen. Daraus ergibt sich
Ep = GSaug.pSaug + GAbgas.pAbgas + G0.p0 (10)
Die Funktionen GSaug, GAbgas und G0 sind Funktionen des Kurbelwinkels, abhängig von den konstruktiven Abmessungen des Kurbeltriebs und den Ventilsteuerzeiten.
Die gesamte kinetische Energie Ekin wird durch folgende Formel beschrieben
Ekin = + GSaug.pSaug + GAbgas.pAbgas + G0.p0 (11).
Eingesetzt in (7) ergibt sich die allgemeine Grundgleichung des Verfahrens zu
Aus dieser allgemeinen Verfahrensgleichung lassen sich mehrere Teilverfahren ableiten, welche sich hinsichtlich der Randbedingungen und des Rechenaufwands unterscheiden.
Für das allgemeine Verfahren erfolgen keine Annahmen bzw. Voraussetzungen bezüglich GSaug, GAbgas und G0, wodurch die allgemeine Verfahrensgleichung folgende vier Unbekannte GSaug, GAbgas, G0 und δ' beinhaltet. Zur Lösung dieser Gleichung müssen für jeden Kurbelwinkel die Momentangeschwindigkeit e als auch die Parameter pSaug, pAbgas und p0 für jeden Zahn bei mindestens vier Umdrehungen gemessen werden. Die Daten der vier Messungen bilden ein Gleichungssystem mit vier Gleichungen.
Für die gemessenen vier Umdrehungen müssen die mittleren Geschwindigkeiten voneinander verschieden sein, um unabhängige Gleichungen zu erhalten. Durch Lösen des Gleichungssystems kann für jede Winkelstellung ein zugehöriger differentieller Geberradfehler δ' ermittelt werden.
Die Funktionen GSaug, GAbgas und G0 ergeben sich aus der Motorgeometrie und den Ventilsteuerzeiten, sie sind somit als Parameter der allgemeinen Verfahrensgleichung berechenbar. Für jede explizite Berechnung einer G-Funktion reduziert sich die Zahl der Bestimmungsgleichungen und damit die Zahl der notwendigen Messungen um eins. Werden alle Parameter berechnet und die Druckwerte gemessen ist ein Messwert pro Winkelstellung ausreichend.
Wird während der Messungen der Abgasgegendruck pAbgas und der Umgebungsdruck p0 konstant gehalten, so können die Terme GAbgas.pAbgas und G0.p0 zu
E03 = GAbgas.pAbgas + G0.p0 (13)
zusammengefasst werden. Die Verfahrensgleichung lautet dann:
Für die drei Unbekannten GSaug, E03 und δ' müssen analog zu dem allgemeinen Verfahren drei Messungen durchgeführt werden. Die Funktion GSaug kann hierbei wiederum berechnet werden, sodass nur noch die Unbekannten E03 und δ' bleiben und zwei Bestimmungsmessungen ausreichen.
Werden für die Messungen der Saugrohrdruck pSaug, der Abgasgegendruck pAbgas und der Umgebungsdruck p0 konstant gehalten, so können die G-Terme zu
E013 = GSaug.pSaug + GAbgas + pAbgas + G0.p0 (15)
zusammengefasst werden, sodass ausgehend von (12) die Verfahrensgleichung
lautet.
Fig. 2 zeigt einen Ablaufplan zur Durchführung des Verfahrens in einem Blockschaltbild. Das dargestellte Verfahren zeigt eine mögliche Ausgestaltung, wobei der differentielle Geberradfehler durch ein Gleichungssystem mit 2 Unbekannten z. B. nach (16) bzw. Anspruch 5 ermittelt wird. Die Erfassung des Geberradfehlers erfolgt im Fahrbetrieb des Fahrzeuges. Als nächste Bedingung zur Durchführung des Verfahrens wird Schubbetrieb überprüft. Das Verfahren wird nur im Schubbetrieb durchgeführt, um den Einfluss der durch die Verbrennung verursachten, auf die Kurbelwelle einwirkenden Gaskräfte zu eliminieren.
Bei erkanntem Schubbetrieb wird als weitere Bedingung geprüft, ob Ladedruck und AGR- Steller im Messbetrieb arbeiten, d. h. ob die zur Lösung der Gleichung benötigten Druckmesswerte ermittelt bzw. auf deren konstanten Wert hin überprüft werden können. Nachfolgend wird das Verbleiben im Schubbetrieb überprüft und bei Unterschreiten einer ersten Messdrehzahl die Messung der segmentspezifischen Durchlaufzeiten bzw. der daraus ermittelten Winkelgeschwindigkeiten gestartet und für eine weitere Berechnung gespeichert. Befindet sich das Fahrzeug weiterhin im Schubbetrieb und wird eine zweite Messdrehzahl unterschritten, wird der zweite Drehzahlverlauf aufgezeichnet. Durch die Messpunkte in unterschiedlichen Drehzahlbereichen können zwei unabhängige Gleichungen zur Lösung des Gleichungssystems aufgestellt werden. Für jedes Geberradsegment steht nach Lösen des Gleichungssystems der differentielle Geberradfehler δ' nach Gleichung (3) zur Verfügung, woraus nach Gleichung (5) die korrekte Winkelgeschwindigkeit ermittelt werden kann.
Die beschriebene Erfindung sollte nicht auf die vorstehend ausgeführten Ausführungsbeispiele beschränkt werden, sondern kann in viele andere Richtungen modifiziert werden, ohne das vom Geist der Erfindung abgewichen wird.
Bezugszeichenliste
1
Geberrad
2
Sensor
3
Auswerteeinheit
Winkelgeschwindigkeit
Mittlere Winkelgeschwindigkeit
Δz Zahnteilung
Δt Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zahnsegmenten
e
gemessene (fehlerbehaftete) Winkelgeschwindigkeit
Ekin
kinetische Energie der Kurbelwelle
drehzahlabhängiger, kurbelwinkelunabhängiger Anteil der kinetischen Energie der Kurbelwelle
E03
konstanter Energieanteil bei konstantem Umgebungs- und Abgasgegendruck
E013
konstanter Energieanteil bei Saugrohrdruck, konstantem Umgebungs- und Abgasgegendruck
Θ Massenträgheitsmoment der Kurbelwelle
mittleres Massenträgheitsmoment der Kurbelwelle
GSaug
kurbelwinkelabhängiger Proportionalitätsfaktor für den zum Saugrohrdruck proportionalen Energieanteil
GAbgas
kurbelwinkelabhängiger Proportionalitätsfaktor für den zum Abgasgegendruck proportionalen Energieanteil
G0
kurbelwinkelabhängiger Proportionalitätsfaktor für den zum Umgebungsdruck proportionalen Energieanteil
PSaug
Saugrohrdruck
pAbgas
Abgasgegendruck
p0
Umgebungsdruck
δ' differentieller Geberradfehler
ENeben
Energieanteil der Nebenmomente
Neben
Wechselanteil der Nebenmomente

Claims (6)

1. Verfahren zur Identifikation des Geberradfehlers, insbesondere eines Kurbelwellengeberrades einer Brennkraftmaschine, wobei ein relativ zum Geberrad (1) feststehender Sensor (2) die Segmente des Geberrades (1) abtastet und aus der aufgenommenen Pulsfolge für jedes Geberradsegment eine Winkelgeschwindigkeit berechnet wird, wobei die Fehleridentifikation im Schubbetrieb des Motors erfolgt und ausgehende von der kinetischen Energie der Kurbelwelle
für jedes Segment des Geberrades ein Fehlerwert aus der Verfahrensgleichung
ermittelt wird, wobei:
  • - e die gemessene, fehlerbehaftete Winkelgeschwindigkeit ist und der Fehlerwert δ' vorzugsweise als differentieller Winkelfehler mit e = ϕ(1 - δ') definiert ist
  • - Θ das Massenträgheitsmoment der Kurbelwelle ist
  • - die kinetische Energie in einen über dem Kurbelwinkel konstanten, drehzahlabhängigen Anteil E und einen gasmomentabhängigen Anteil Ep zu Ekin = + Ep aufgeteilt wird
  • - der Anteil über eine Kurbelwellenumdrehung gemittelten Winkelgeschwindigkeit und dem mittleren Massenträgheitsmoment zu
    berechnet wird
  • - der Anteil Ep sich als Summe aus einem zum Saugrohrdruck pSaug, zum Abgasgegendruck pAbgas und zum Atmosphärendruck p0 proportionalen Anteil zu Ep = GSaug.pSaug + GAbgas.pAbgas + G0.p0 ergibt
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Ermittlung des Fehlerwertes, aus den Motorparametern berechenbaren Parameter GSaug, GAbgas, G0 einzeln oder gemeinsam durch Lösen eines Gleichungssystem mit n Unbekannten durch n-fache Messung in verschiedenen Drehzahlbereichen bestimmt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Abgasgegendruck pAbgas und der Umgebungsdruck p0 konstant gehalten werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Funktion GSaug berechnet wird und die Unbekannten E03 und δ' durch zwei Messungen bestimmt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Saugrohrdruck pSaug, der Abgasgegendruck pAbgas und der Umgebungsdruck p0 konstant gehalten werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieanteil kurbelwinkelperiodischer Nebenmomente aus dem Wechselanteil Neben des Nebenmoments MNeben durch Integration über den Kurbelwinkel ϕ: ENeben = ∫Nebendϕ berechnet und in die Verfahrensgleichung folgendermaßen eingeht
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