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DE10107892B4 - Verfahren zur Identifikation des Geberradfehlers im Fahrbetrieb - Google Patents

Verfahren zur Identifikation des Geberradfehlers im Fahrbetrieb Download PDF

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DE10107892B4 DE2001107892 DE10107892A DE10107892B4 DE 10107892 B4 DE10107892 B4 DE 10107892B4 DE 2001107892 DE2001107892 DE 2001107892 DE 10107892 A DE10107892 A DE 10107892A DE 10107892 B4 DE10107892 B4 DE 10107892B4
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Abstract

Verfahren zur Identifikation des Geberradfehlers 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 ausgehend von der kinetischen Energie der Kurbelwelle
Figure 00000002
für jedes Segment des Geberrades ein Fehlerwert aus der Verfahrensgleichung
Figure 00000003
ermittelt wird, wobei:
– φ .e die gemessene, fehlerbehaftete Winkelgeschwindigkeit ist und der Fehlerwert δ' als differentieller Winkelfehler mit φ .e = φ (1 – δ') definiert ist
– Θ das Massenträgheitsmoment der Kurbelwelle ist
– die kinetische Energie in einen über dem Kurbelwinkel konstanten, drehzahlabhängigen Anteil Ĕ und einen gasmomentabhängigen Anteil Ep zu Ekin = Ĕ + Ep aufgeteilt wird
– der Anteil Ĕ mit der über eine Kurbelwellenumdrehung gemittelten Winkelgeschwindigkeit
Figure 00000004
und dem mittleren Massenträgheitsmoment Θ zu
Figure 00000005
berechnet wird
– der Anteil Ep sich...

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 von den Gaskräften 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 erfindungsgemäß durch die 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, GAb gas, 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 pAb gas und der Umgebungsdruck p0 konstant gehalten, wodurch die Terme GAb gas·pAbgas und G0·p0 ZU E03 = GAb gas·pAbg as + G0·p0 zusammengefasst werden und sich die Verfahrensgleichung zu
    Figure 00030001
    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·PAb gas + G0·p0 zusammengefasst werden, da diese als Konstanten im Gleichungssystem erscheinen. Der Geberradfehler δ' wird dann durch die
    Figure 00030002
    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 M ~Neb en des Nebenmoments MNeb en durch Integration über den Kurbelwinkel φ: ENeb en = ∫M ~Neb endφ
  • Die allgemeine Verfahrensgleichung unter Berücksichtigung der Nebenmomente lautet dann
    Figure 00040001
  • Die Größe ENeb en 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:
  • 1 eine Prinzipdarstellung eines Aufbaus zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
  • 2 einen Ablaufplan zur Durchführung des Verfahrens.
  • 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 einer 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
    Figure 00040002
    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
    Figure 00050001
    ergibt. Der differentielle Geberradfehler ist mit
    Figure 00050002
    definiert, wobei durch algebraisches Umformen von (2) und Einsetzen von (3) die fehlerbehaftete Winkelgeschwindigkeit
    Figure 00050003
    lautet und der differentielle Geberradfehler δ' durch das erfindungsgemäße Verfahren berechnet wird. Die korrekte Winkelgeschwindigkeit φ . ergibt sich nach
    Figure 00050004
  • Zur Berechnung des Geberradfehlers wird der Energieerhaltungssatz für die kinetische Energie der Kurbelwelle nach
    Figure 00050005
    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 φ .e nach (4) ergibt sich die kinetische Energie der Kurbelwelle zu
    Figure 00050006
  • Die kinetische Energie Ekin lässt sich aufteilen in einen über den Kurbelwinkel konstanten, aber drehzahlabhängigen Anteil Ĕ und einen gasmomentabhängigen Anteil Ep, woraus sich Ekin = Ĕ + Ep (8)ergibt.
  • Der drehzahlabhängige Anteil Ĕ ist mit der über eine Kurbelwellenumdrehung gemittelten Winkelgeschwindigkeit
    Figure 00060001
    und dem mittleren Massenträgheitsmoment Θ nach
    Figure 00060002
    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 Umgebungsdruck p0 abhängigen Anteil aufteilen. Daraus ergibt sich Ep = GSaug·pSaug + GAbg as·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 = Ĕ + GSaug·pSaug + GAbgas·pAbg as + G0·p0 (11).
  • Eingesetzt in (7) ergibt sich die allgemeine Grundgleichung des Verfahrens zu
    Figure 00060003
  • 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, GAb gas, G0 und δ' beinhaltet. Zur Lösung dieser Gleichung müssen für jeden Kurbelwinkel die Momentangeschwindigkeit φ .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.
  • Werden während der Messungen der Abgasgegendruck pAbgas und der Umgebungsdruck p0 konstant gehalten, so können die Terme GAb gas·pAb gas und G0·p0 zu E03 = GAbgas·pAbgas + G0·p0 (13)zusammengefasst werden. Die Verfahrensgleichung lautet dann:
    Figure 00070001
  • 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
  • Figure 00080001
  • 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 φ . ermittelt werden kann.
  • Bezugszeichenliste
    Figure 00090001

Claims (6)

  1. Verfahren zur Identifikation des Geberradfehlers 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 ausgehend von der kinetischen Energie der Kurbelwelle
    Figure 00100001
    für jedes Segment des Geberrades ein Fehlerwert aus der Verfahrensgleichung
    Figure 00100002
    ermittelt wird, wobei: – φ .e die gemessene, fehlerbehaftete Winkelgeschwindigkeit ist und der Fehlerwert δ' als differentieller Winkelfehler mit φ .e = φ (1 – δ') definiert ist – Θ das Massenträgheitsmoment der Kurbelwelle ist – die kinetische Energie in einen über dem Kurbelwinkel konstanten, drehzahlabhängigen Anteil Ĕ und einen gasmomentabhängigen Anteil Ep zu Ekin = Ĕ + Ep aufgeteilt wird – der Anteil Ĕ mit der über eine Kurbelwellenumdrehung gemittelten Winkelgeschwindigkeit
    Figure 00100003
    und dem mittleren Massenträgheitsmoment Θ zu
    Figure 00100004
    berechnet wird – der Anteil Ep sich als Summe aus einem zum Saugrohrdruck pSau g, zum Abgasgegendruck pAbgas und zum Umgebungsdruck 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 Gleichungssystems 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 die Funktion GSaug berechnet wird und die Unbekannten E03 und δ' durch zwei Messungen bestimmt werden, wobei E03 = GAb gas·pAb gas + G0·p0 ist.
  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 Nehenmomente aus dem Wechselanteil MNeb en des Nebenmoments MNeben durch Integration über den Kurbelwinkel φ: ENeb en = ∫M ~Neb endφ berechnet wird und in die Verfahrensgleichung folgendermaßen eingeht:
    Figure 00110001
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