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DE19962337B4 - Verfahren zur phasenverlustfreien Drehzahlwertermittlung - Google Patents

Verfahren zur phasenverlustfreien Drehzahlwertermittlung Download PDF

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DE19962337B4 DE1999162337 DE19962337A DE19962337B4 DE 19962337 B4 DE19962337 B4 DE 19962337B4 DE 1999162337 DE1999162337 DE 1999162337 DE 19962337 A DE19962337 A DE 19962337A DE 19962337 B4 DE19962337 B4 DE 19962337B4
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Abstract

Verfahren zur phasenverlustfreien Drehzahlwertermittlung bei einer Verbrennungskraftmaschine bei Leerlaufdrehzahl, wobei von einem Sensor Signale eines Segmentgebers erfasst werden, die die jeweilige Drehzahl (5.1, 5.2) in einem Segment (3, 4) darstellen, aus denen eine mittlere Drehzahl Nmit (2) bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß abhängig von der Abtastung eines ungeradzahligen Segmentes (3) oder eines geradzahligen Segments (4), die Drehzahlwerte (5.1) des geradzahligen Segments (4) direkt einem Regler (23) zugeführt werden, während die Drehzahlwerte (5.2) des ungeradzahligen Segments (3) aus Drehzahlwerten (5.1) vorhergehender geradzahliger Segmente (4) bestimmt werden, bevor sie dem Regler (23) zugeführt werden.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Drehunförmigkeit einer Verbrennungskraftmaschine macht als Istwertgröße für einen Leerlaufregler eines elektronischen Dieseleinspritzsystems beispielsweise die Ermittlung einer mittleren Drehzahl erforderlich. Drehzahlschwankungen, die aus einer Verzögerung der Kurbelwelle während der Kompressionsphase und einer Beschleunigung der Kurbelwelle während der Verbrennungsphase resultieren, sind für den Leerlaufregler nicht relevant und werden daher ausgefiltert.
  • Stand der Technik
  • Die DE 39 39 113 A1 offenbart ein Verfahren zur anpassbaren Drehzahlverarbeitung. Bei diesem Verfahren zur Drehzahlverarbeitung bei einer Brennkraftmaschine wird ein Segmentrad von einem Sensor abgetastet. In einer Auswerteschaltung wird aus mehreren Segmentdrehzahlen eine mittlere Drehzahl gebildet, die nach einem speziellen Algorithmus berechnet wird. Die zur Lösung des Algorithmus erforderlichen Nebenbedingungen werden in Abhängigkeit von den Anforderungen an die Drehzahlerfassung festgelegt. Die relevanten Nebenbedingungen sind das Verstärkungsverhalten für tiefe Frequenzen, des weiteren eine Mittelwertbildung für tiefe Frequenzen sowie die Vorgabe einer Phasenvoreilung bei einer bestimmten ausgewählten Frenquenz.
  • Mittels dieses Verfahrens zur Drehzahlermittlung werden die zeitdiskret ermittelten Drehzahlwerte mit entsprechenden Gewichtsfaktoren aufsummiert. Es ergibt sich ein rein lineares Übertragungsverhalten. Diese segmentweise Ermittlung der Drehzahl und deren anschliessende Filterung ergibt eine deutliche Phasenverzögerung der tatsächlichen Drehzahl. Eine mit einer solchen Phasenverzögerung einhergehende Regelung wirkt sich auf die zu erzielende Bandbreite des Reglers nachteilig aus. Der Regler muß entweder sehr schmalbandig, d. h. mit einer geringen Steifigkeit, ausgelegt werden oder aber er wird nahe seiner Stabilitätsgrenze betrieben, was wiederum zu einem unruhigen Motorlauf führt. Die geringe Steifigkeit des Reglers ist vor allem beim Anfahrvorgang des Fahrzeuges sehr nachteilig, da die Verbrennungskraftmaschine sehr leicht abzuwürgen ist.
  • Die DE 197 33 958 A1 zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Korrektur von Toleranzen eines Geberrades. Dazu werden Abweichungen der einzelnen Segmentzeiten von einem Mittelwert bestimmt. Zudem werden die Messwerte frequenzselektiv gefiltert.
  • Darstellung der Erfindung
  • Mittels des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens ist bei der Ermittlung eines Drehzahlwertes ein nahezu phasenverlustfreies Herausfiltern der Drehunförmigkeit der Verbrennungskraftmaschine aus dem Drehzahlsignal möglich. Das Drehzahlsignal wird dabei durch Abtastung eines mit einer Welle der Verbrennungskraftmaschine umlaufendes Geberrades, das eine Anzahl von Winkelmarken aufweist, erzeugt. Die Zahl der Winkelmarken und damit ihre Winkellänge ist an die Zylinderzahl der Verbrennungskraftmaschine angepaßt.
  • Der Abstand zwischen vorgebbaren Flanken der Winkelmarken oder der Abstand Winkelmarke plus nachfolgende Lücke wird dabei als Segment bezeichnet. Es kann ein Segment auch durch eine Anzahl von Winkelmarken plus zugehörigen Lücken gebildet werden (bei einem Inkrementgeber mit einer Vielzahl von Winkelmarken z. B.), die Anzahl von Segmenten wird dann wiederum an die Zylinderzahl angepaßt. Das Geberrad und ein zugehöriger Aufnehmer werden üblicherweise als Segmentgeber bezeichnet. Aus der Unterscheidung geradzahliger und ungeradzahliger Segmente kann die Filterfunktion derart umgeschaltet werden, daß die ermittelten Werte im geraden Segment ungefiltert übernommen werden können, so daß keine Phasenverluste auftreten. Im ungeradzahligen Segment hingegen wird die Stetigkeit des Drehzahlsignals dadurch gewährleistet, daß eine Extrapolation des Drehzahlwertes des letzten geradzahligen Segments durchgeführt wird. Die Auswertung der ungeradzahligen Segmente wird dadurch optimiert, daß ein plausibler extrapolierter Wert des letzten geradzahligen Segments die Auswertung des ungeradzahligen Segments ohne Erzeugung einer Phasenverzögerung ersetzt.
  • Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren erfolgt eine Mittelung der Drehzahl, die mit den Vorteilen verbunden ist, daß Meßfehler des Geberrades sowie Abtastfehler einerserseits vermieden werden sowie das aus der Aufsummation über ein bestimmtes Winkelsegment erhaltene Signal auch eine Tendenz über eine zu erwartende Signaländerung enthält, so daß es sich deutlicher von dem überlagerten Signalrauschen abhebt.
  • Die Unterteilung der Segmentdrehzahl in geradzahlige und ungeradzahlige Bereiche ist deshalb so bedeutsam, weil bei jedem zweiten Segment, mithin bei allen geradzahligen Segmenten, in einer Diesel- oder auch einer Benzineinspritzanlage das Einspritzsteuergerät (EDC) einen Mengenstellwert für die einzuspritzende Kraftstoffmenge an das Einspritzsystem weitergibt. Der Einspritzvorgang hat nach Ende der Kompressionsphase zu erfolgen und liegt kurz vor dem Beginn der Verbrennungsphase innerhalb eines Zylinder-Viertakt-Zyklus. Zu diesem Zeitpunkt erfolgt eine Haupteinspritzung von Kraftstoff in den Verbrennungsraum, wird jedoch eine Mehrfacheinspritzung eingesetzt, der ein Vor- und ein Haupteinspritzzeitpunkt eigen sind, sind auch ungeradzahlige Segmente zur Ermittlung der Voreinspritzmengen von Bedeutung. Daher können zur Ermittlung korrekter Einspritzmengenstellwerte nicht lediglich die geradzahligen Segmente berücksichtigt werden, sondern es werden auch die ungeradzahligen Segmente berücksichtigt, um ein stetiges Mengenstellausgabesignal zu erreichen. Eine stetige Einspritzmengenstellwertangabe bedingt wiederum einen möglichst glatten Drehzahlverlauf.
  • Mittels einer im Regelkreis enthaltenen Weiche kann die Umschaltung des Filtermodus gewählt werden. Anhand der Signalweiche kann die dynamisch gefilterte Drehzahl Ndyn je nachdem, ob ein ungeradzahliges oder ein geradzahliges Segment abgetastet wird, zwischen aktueller Segmentdrehzahl und der extrapolierten Drehzahl hin- und hergeschaltet werden. Am Ausgang der Weiche steht ein stetig vorhandenes Drehzahlsignal an, welches dem P-Anteil des Reglers zugeführt wird, der hauptsächlich den dynamischen Lastwechsel kompensiert. Demgemäß wird in einer Leerlaufreglerstruktur ausschließlich der Proportional-Anteil mit der gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren ermittelten gefilterten dynamischen Drehzahl beaufschlagt.
  • Innerhalb einer solcherart beschaffenen Reglerstruktur erfolgt am Proportionalitätsanteil eine Umschaltung von Groß- und Kleinsignalfenstern unsymmetrisch für positive oder negative Regelabweichung. Damit lässt sich Kp positiven oder negativen Regelabweichungen anpassen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren läuft in vorteilhafter Weise im Steuergerät der Verbrennungskraftmaschine selbst ab.
  • Zeichnungen
  • Anhand der einzelnen Figuren der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.
  • Es zeigt:
  • 1 den Verlauf der aktuellen Segmentdrehzahl Nakt,
  • 2 die segmentweise erfolgende Synthese einer dynamisch gefilterten Drehzahl Ndyn,
  • 3 die Phasengänge gefilterter Drehzahlen Next, Ndyn und Nmit, aufgetragen über die Frequenz,
  • 4 den sich vor einer Signalweiche einstellende Signalfluß zur segmentabhängigen Ermittlung der dynamisch gefilterten Drehzahl Ndyn als Eingangsgrösse eines PID-Leerlaufreglers,
  • 5 eine erfindungsgemässe Leerlaufreglerstruktur und
  • 6 eine unsymmetrische Umschaltung der Groß- und Kleinsignalparameter bei der Proportionalitätsverstärkung Kp.
  • In 1 ist der aktuelle Verlauf der Segmentdrehzahl Nakt dargestellt.
  • Der Verlauf der Segmentdrehzahl 1 lässt sich in ungeradzahlige Segmente 3 sowie jeweils zwischen diesen liegende geradzahlige Segmente 4 einteilen. Bei geradzahligen Segmenten 4 findet beispielsweise bei Dieseldirekteinspritzanlagen (EDC) die Haupteinspritzung statt. Es wäre denkbar, einen Leerlaufregler 23 auch lediglich mit einem ausschließlich aus der Abtastung geradzahliger Segmente 4 resultierenden Signal zu regeln. Zwar würden sich schwankende Einspritzmengenstellwerte ergeben, die jedoch keine negativen Auswirkungen nach sich zögen, da nur jeder zweite Wert interessiert.
  • Bei Mehrfacheinspritzungen –, beispielsweise unterteilt in Haupteinspritzung und Voreinspritzung – lassen sich die Einspritzmengenstellwerte für die Haupteinspritzung aus den geradzahligen Segmenten 4 bestimmen, während zur Bestimmung der Voreinspritzmengen die ungeradzahligen Segmente 3 auszuwerten sind.
  • 2 zeigt die segmentweise erfolgende Synthese einer dynamisch gefilterten Drehzahl Ndyn.
  • Über der Zeitachse T sind sowohl die aktuelle Segmentdrehzahl 1 Nakt als auch die dynamisch gefilterte Drehzahl Ndyn 5 aufgetragen. Zwischen den Anteilen 5.1 einer dynamisch gefilterten Drehzahl 5 NDYN liegen die Anteile 5.2, die aus den ungeradzahligen Segmenten 3 resultieren und die anhand einer Extrapolation von Drehzahlwerten 5.1 geradzahliger Segmente 4 ermittelt worden sind.
  • Für geradzahlige Segmente 4 gilt: Ndynk, gerade = Nakt,k entspricht 5.1 während für ungeradzahlige Segmente 3 gemäß 1 gilt: Ndynk, ungerade = Next,k = Nakt,k-1 + ½(Nakt,k – Nakt,k-2)
  • Dies bedeutet, daß die dynamisch gefilterte Drehzahl 5 Ndyn in geradzahligen Segmenten 4 gleich der aktuellen Segmentdrehzahl 1 ist, währen Ndyn bei ungeradzahligen Segmenten 3 aus vorhergehenden Drehzahlwerten 5.1 geradzahliger Segmente 4 extrapoliert wird. Die zwischen zwei vorhergehenden geradzahligen Segmenten 4 sich einstellende Differenz 7.1 wird zur Bestimmung des Drehzahlbereiches eines Drehzahlwertes eines geradzahligen Segmentes 3 jeweils halbiert, vgl. 7.2.
  • 3 zeigt den Phasengang gefilterter Drehzahlen, aufgetragen über der Frequenz.
  • Die Segmentdrehzal 1, Nakt, hat über die Frequenz jeweils konstant Phase 0. Die Phase der durch gleitende Mittelwertbildung erzeugten mittleren Motordrehzahl Nmit 2, steigt proportional mit der Frequenz an. Die ebenfalls über der Frequenz aufgetragene extrapolierte Drehzahl Next 6, weist demgegenüber im unteren Frequenzbereich gemäß 3 einen deutlich geringeren Phasenversatz auf, verglichen mit der gemittelten Motordrehzahl Nmit 2.
  • 4 zeigt den Signalfluß und dessen Manipulationen vor der Passage einer Signalweiche 13. Die Signalweiche 13 ist mit zwei Signaleingängen versehen, von denen einer den Signalen geradzahliger Segmente 4 entspricht und am anderen den ungeradzahligen Segmenten 3 entsprechende extrapolierte Drehzahlwerte Ndyn 6, anliegen. Das Ausgangsignal, die dynamisch gefilterte Drehzahl Ndyn 5, wird dem Leerlaufregler 23 gemäß 5 beaufschlagt. Danach stellt die aktuelle Segmentdrehzahl Nakt 1, bei geradzahligen Segmenten 4 unmittelbar die dynamisch gefilterte Drehzahl 5 dar, während die in der 4 abgebildete Signalverarbeitungsstrecke zur Ermittlung von Next 6, für ungeradzahlige Segmente 3 die Gleichung Ndyn,k, ungerade = Next,k = Nakt,k-1 + ½(Nakt,k – Nakt,k-2)nachbildet.
  • Die an den beiden Totzeitgliedern 8 und 9 in der Regelstrecke jeweils einstellbaren Zeitkonstanten Ttot werden in vorteilhafter Weise auf die Segmentzeiten TSeg gesetzt.
  • Der gemäß 4 ermittelte, entweder aus Nakt 1 oder aus Next 6 resultierende Wert der dynamisch gefilterten Drehzahl Ndyn 5 wird einem Summationspunkt 18 zugeführt. Dieser führt die Grössen Ndyn 6 und die Solldrehzahl 14 zusammen, bevor der an der Summationsstelle 18 sich einstellende Wert einem Proportionalanteil 15 des Leerlaufreglers 23 aufgegeben wird. Die Größe Nsoll 14 wird an einem Verzweigungspunkt 20 abgegriffen und an einem weiteren Summationspunkt 19 der negierten Grösse Nmit 2 überlagert; die am Summationspunkt 19 sich einstellende Grösse wird dem Integrationsanteil 16 des Leerlaufreglers 23 aufgegeben, die Grösse Nmit 2 bildet ferner das Eingangssignal für den D-Anteil 17 des Leerlaufreglers 23. Mittels einer solcherart beschaffenen Regelstruktur 23 kann durch Zuführung der mittleren Motordrehzahl Nmit 2 zum Integrationsanteil 16 der Regler 23 auf die mittlere Motordrehzahl Nmit 2 einregeln.
  • In 6 schließlich ist eine unsymmetrische Umschaltung der Groß- und Kleinsignalparameter am Proportionalanteil des Leerlaufreglers dargestellt. Um eine optimale Regerauslegung zu unterstützen, kann mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Reglerstruktur noch folgende Maßnahme ergriffen werden: Die Umschaltung der Groß- und Kleinsignalfenster des Proportionalanteils 16 kann unsymmetrisch für positive oder negative Regelabweichungen erfolgen. Damit wird dem Umstand Rechnung getragen, daß die Grösse 6 die dynamisch gefilterte Drehzahl Ndyn einen Offset gegenüber der mittleren Motordrehzahl Nmit aufweist.
  • 1
    Aktuelle Segmentdrehzahl Nakt
    2
    gemittelte Motordrehzahl Nmit
    3
    ungeradzahliges Segment
    4
    geradzahliges Segment
    5
    dynamisch gefilterte Drehzahl Ndyn
    5.1
    Ndyn-Anteil geradzahliges Segment
    5.2
    Ndyn-Anteil aus ungeradzahligem Segment
    6
    extrapolierte Drehzahl Next
    7.1
    Drehzahldifferenz (geradzahlige Segmente)
    7.2
    halbe Drehzahldifferenz (geradzahlige Segmente)
    8
    Totzeitglied
    9
    Totzeitglied
    10
    Teiler
    11
    Teiler
    12
    Summationspunkt
    13
    Signalweiche
    14
    Solldrehzahl Nsoll
    15
    P-Regelanteil
    16
    I-Regelanteil
    17
    D-Regelanteil
    18
    Summationspunkt P-Anteil
    19
    Summationspunkt I-Anteil
    20
    Verzweigung
    21
    Anteilssummationspunkt
    22
    Stellwert
    23
    Leerlaufregler
    24
    negatives Großsignalfenster
    25
    Fenster Kleinsignal
    26
    Proportionalitätsverstärkung Kp
    27
    positives Großsignalfenster

Claims (8)

  1. Verfahren zur phasenverlustfreien Drehzahlwertermittlung bei einer Verbrennungskraftmaschine bei Leerlaufdrehzahl, wobei von einem Sensor Signale eines Segmentgebers erfasst werden, die die jeweilige Drehzahl (5.1, 5.2) in einem Segment (3, 4) darstellen, aus denen eine mittlere Drehzahl Nmit (2) bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß abhängig von der Abtastung eines ungeradzahligen Segmentes (3) oder eines geradzahligen Segments (4), die Drehzahlwerte (5.1) des geradzahligen Segments (4) direkt einem Regler (23) zugeführt werden, während die Drehzahlwerte (5.2) des ungeradzahligen Segments (3) aus Drehzahlwerten (5.1) vorhergehender geradzahliger Segmente (4) bestimmt werden, bevor sie dem Regler (23) zugeführt werden.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auswertung eines ungeradzahligen Segments (3) eine Extrapolation des Drehzahlwertes (5.1) des letzten geradzahligen Segments (4) erfolgt.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus einer Drehzahldifferenz (7.1) zweier geradzahliger aufeinanderfolgender Segmente (4) die Ermittlung des Drehzahlanteils des ungeradzahligen Segments (3) aus einer dynamisch gefilterten Drehzahl (5) Ndyn ermittelt wird.
  4. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aktuelle Segmentdrehzahl (1) Nakt einer Signalweiche (13) zugeführt wird, an welcher ebenfalls eine extrapolierte Drehzahlgrösse (6) vorliegt.
  5. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dynamisch gefilterte Drehzahl Ndyn (5) im Falle geradzahliger Segmente (4) der aktuellen Segmentdrehzahl Nakt (1) entspricht und im Falle ungeradzahliger Segmente (3) einer aus Drehzahlwerten (5.1) vorhergehender geradzahliger Segmente (4) ermittelten extrapolierten Drehzahl Next (6) entspricht.
  6. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dynamisch gefilterte Drehzahl Ndyn (5) einem Proportionalregelglied (15) des Reglers (23) zugeführt wird.
  7. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Proportionalitätsverstärkung Kp (26) des Proportionalanteils (15) des Reglers (23) für positive oder negative Regelabweichungen unsymmetrisch erfolgt.
  8. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie wenigstens ein Steuergerät mit einem Prozessor und Speichern umfaßt, dem die erforderlichen Informationen zugeführt werden und das die erforderlichen Berechnungen durchführt und daß der Segmentgeber eine an die Zylinderzahl der Verbrennungsmaschine anpaßbare Anzahl von Winkelmarken aufweist, die gemeinsam mit einer zugeordneten Lücke jeweils ein Segment bilden oder daß eine vorgebbare Anzahl von Winkelmarken und Lücken ein Segment bilden und die Anzahl der Segmente an die Zylinderzahl anpaßbar ist.
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