DE10127913A1

DE10127913A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Wandlung hochdynamischer Sensorsignale für eine elektronische Motorsteuerung

Info

Publication number: DE10127913A1
Application number: DE2001127913
Authority: DE
Inventors: Dietmar Ellmer
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2001-06-08
Filing date: 2001-06-08
Publication date: 2003-01-09
Anticipated expiration: 2021-06-09
Also published as: DE10127913B4

Abstract

Verfahren zur Wandlung hochdynamischer Sensorsignale für eine elektronische Motorsteuerung (10) einer Brennkraftmaschine (18), bei dem ansprechend auf ein erstes Steuersignal der Motorsteuerung (10) die Sensorsignale aufintegriert werden, ansprechend auf ein zweites Steuersignal der Motorsteuerung (10) das Aufintegrieren unterbrochen und der bis dahin aufintegrierte Wert des Sensorsignals als Eingangswert an die Motorsteuerung angelegt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Wandlung hochdynamischer Sensorsignale für eine elektronische Motorsteuerung.
Eine elektronische Motorsteuerung dient dazu, das von der Brennkraftmaschine erzeugte Drehmoment einzustellen. Moderne Motorsteuerungen benötigen Eingangssignale von Zustandsgrößen der Brennkraftmaschine. Hierzu werden Zustandsgrößen während des Arbeitstaktes von Sensoren mit kurzen Ansprechzeiten gefühlt und von der Motorsteuerung über einen AD-Wandler eingelesen. Diese Signale von Sensoren mit kurzer Ansprechzeit werden als hochdynamische Signale bezeichnet.
Das zeitlich exakte Erfassen von hochdynamischen Signalen, die von dem Arbeitstakt der Brennkraftmaschine abhängen, führt zu einem Problem für die Motorsteuerung. Zum einen verursacht der durch den AD-Wandler ausgeführte Abtastvorgang selber eine Ungenauigkeit. Wird die Abtastfrequenz des AD- Wandlers erhöht, um die Sensorsignale möglichst genau zu erfassen, so wird die Motorsteuerung durch die hohe Abtastfrequenz belastet. Zum anderen kann es bei der Abtastung zu einem zeitlichen Versatz zwischen dem Verlauf des Sensorsignals und den abgetasteten Werten kommen. Dies führt zu systematischen Fehlern bei der Erfassung der gefühlten Zustandsgröße durch die Motorsteuerung.
Bisher wird der Signalwert lediglich zu einem vorbestimmten Zeitpunkt pro Arbeitstakt, beispielsweise dem Spitzenwert der entsprechenden Zustandsgröße gemessen. Der Zeitpunkt für den Spitzenwert kann beispielsweise modelgestützt bestimmt werden. Aus dem gemessenen Sensorsignal wird je nach Art des Sensorsignals auf den Signalverlauf pro Arbeitstakt geschlossen. Nachteilig an der bekannten Signalerfassung von hochdynamischen Sensorsignalen ist, dass die über den AD-Wandler an die Motorsteuerung weitergeleiteten Sensorsignale den Zustand der Brennkraftmaschine nur ungenau oder sogar fehlerhaft widerspiegeln.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Wandlung hochdynamischer Sensorsignale für eine elektronische Motorsteuerung einer Brennkraftmaschine erzeugt in einem ersten Verfahrensschritt ein erstes Steuersignal, auf das ansprechend ein ansteuerbarer Integrationsschaltkreis beginnt die Sensorsignale aufzuintegriert. Das erste Steuersignal wird von der Motorsteuerung erzeugt. Ansprechend auf ein zweites von der Motorsteuerung generiertes Steuersignal unterbricht der Integrationsschaltkreis das Aufintegrieren der Sensorsignale. Über den Integrationsschaltkreis liegt der bis dahin aufintegrierte Wert der Sensorsignale als Eingangswert an der Motorsteuerung an. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die hochdynamischen Sensorsignale in einem Zeitintervall zwischen dem ersten Steuersignal und dem zweiten Steuersignal aufintegriert. Die Länge und der Anfangszeitpunkt des Zeitintervalls werden von der Motorsteuerung vorgegeben. Indem nicht länger die Messung zu einem vorbestimmten Zeitpunkt erfolgt, sondern die Motorsteuerung ein Zeitintervall vorgibt, gibt der aufintegrierte Sensorwert die durch den Sensor erfasste Zustandsgröße sehr genau an.

Bevorzugt wird nach dem Einlesen des aufintegrierten Sensorsignals ein drittes Steuersignal erzeugt, das den Ausgangswert des Integrationsschaltkreises zurücksetzt.

In einer möglichen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens verstreicht zwischen dem ersten und dem zweiten Steuersignal eine vorbestimmte Zeitspanne. Die Zeitspanne wird bevorzugt so ausgewählt, dass der Signalverlauf in einem Abschnitt aufintegriert wird, der bei einem geringen Fehler einen Rückschluss auf den Gesamtsignalverlauf zulässt. Bei der Bestimmung der Integrationsdauer kann beispielsweise auch die Auflösung der nachgeordneten Signalverarbeitung berücksichtigt werden.

In einer Weiterführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, dass erste und/oder das zweite Steuersignal für den Integrationsschaltkreis abhängig von dem Arbeitstakt der Brennkraftmaschine zu generieren und an den Integrationsschaltkreis anzulegen.

Bei einem Sensor zur Erfassung des Abgasgegendrucks wird das erste Steuersignal zum Zeitpunkt des Auslassventilöffnens und das zweite Steuersignal vor dem Auslassventilschließen durch die Motorsteuerung erzeugt. Es werden also für die Motorsteuerung als Werte zur Erfassung des Abgasgegendrucks die während der Verbrennungsphase aufintegrierten Sensorwerte der Motorsteuerung zur Verfügung gestellt.

Bevorzugt erfolgt hierbei das Aufintegrieren während die übrigen Auslassventile geschlossen sind. In einer bevorzugten Ausgestaltung erfolgt das Aufintegrieren der Sensorsignale während der Kolben einen definierten Zylinderbereich überstreicht, bevorzugt einen Zylinderbereich, in dem der Kolben sich mit maximaler Geschwindigkeit bewegt.

Für einen Sensor zur Erfassung des Zylinderdrucks wird das erste Steuersignal zum Einlassventilschließzeitpunkt (Es) und das zweite Steuersignal vor dem Zeitpunkt des oberen Totpunktes (OT) erzeugt. Die im wesentlichen über die Verdichtungsphase aufintegrierten Sensorsignale bilden den Eingangswert für die Motorsteuerung bei der Erfassung des Zylinderdrucks.

Ebenfalls kann für einen Sensor zur Erfassung des Zylinderdrucks das erste Steuersignal zum Zündwinkelzeitpunkt (IGA) und das zweite Steuersignal vor dem Zeitpunkt des Auslassventilsöffnens (AÖ) erfasst werden. Hierbei erfasst der Sensor den Zylinderdruck im wesentlichen während der Verbrennungsphase.

In einer bevorzugten Ausgestaltung wird hierbei durch die Motorsteuerung ein Zeitpunkt für einen Verbrennungsschwerpunkt berechnet und das erste Steuersignal vor und das zweite Steuersignal nach diesem Verbrennungsschwerpunkt erzeugt. Der Verbrennungsschwerpunkt wird abhängig von dem Zündzeitpunkt und/oder einem Betriebspunkt von der Motorsteuerung berechnet.

Auch ist es möglich, einen Sensor für den Saugrohrdruck oder für den Luftmassenstrom der Zylinderfüllung beginnend mit dem Öffnen des Einlassventils (EÖ) bis zum Schließen des Einlassventils (Es) aufzuintegrieren. Hierbei werden die Sensorsignale über die Ansaugphase des Zylinders aufintegriert und an die Motorsteuerung weitergeleitet. In einer bevorzugten Ausgestaltung kann das Aufintegrieren erfolgen, während der Druckgradient an Einlassventil möglichst groß ist.

Durch einen Sensor für Abgase oder Abgaszusammensetzungen oder deren Bestandteile werden Abgaspakete einzelner Zylinder erfasst, indem die Sensorsignale beginnend mit dem Öffnen des Auslassventils (AÖ) bis zum Schließen des Ausgangsventils (AS) des Zylinders aufintegriert werden. Die Erfassung der Abgase einzelner Zylinder kann hierbei durch eine entsprechende Ansteuerung des Integrationsschaltkreises für die einzelnen Zylinder vorgenommen werden.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ebenfalls durch eine Vorrichtung zur Wandlung hochdynamischer Sensorsignale für eine elektronische Motorsteuerung nach Anspruch 16 gelöst.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist einen oder mehrere Sensoren zur Erfassung einer Zustandsgröße der Brennkraftmaschine auf. Ein AD-Wandler ist vorgesehen, dessen digitaler Ausgang an einer Motorsteuerung anliegt, wobei der AD-Wandler auch in eine Motorsteuereinheit integriert sein kann. Erfindungsgemäß vorgesehen ist ein ansteuerbarer Integrationsschaltkreis, an dem das Sensorsignal als Eingangssignal und dessen aufintegrierter Ausgangswert an dem AD-Wandler anliegt. Der ansteuerbare Integrationsschaltkreis ist zwischen Sensor und AD-Wandler geschaltet. Der Steuereingang des Integrators ist mit der Motorsteuerung verbunden, um auf deren Steuersignale ansprechend Anfang und Ende der Integrationsdauer festzulegen. Bevorzugt weist die Motorsteuerung Mittel zur Erzeugung der Steuersignale abhängig von dem Arbeitstakt eines Zylinders der Brennkraftmaschine auf.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Motorsteuerung mit einem ansteuerbaren Integrator und
Fig. 2 ein Beispiel für einen elektronisch angesteuerten Integrator.
Es zeigt Fig. 1 eine elektronische Motorsteuereinheit 10 mit einem integrierten AD-Wandler 12. Die Steuereinheit 10 ist über Leitungen 14 und 16 mit Sensoren und Aktoren für eine Brennkraftmaschine 18 verbunden.
Ein hochdynamischer Sensor 20 fühlt Werte von Signalverläufen, wie beispielsweise:

- Abgasgegendruckverlauf,
- Zylinderdruckverlauf,
- Momentenverlauf eines einzelnen Zylinders,
- Saugrohrdruck,
- Luftmassenstrom (Zylinderfüllung),
- Abgassignal von Abgaspakten einzelner Zylinder.

Die hochdynamischen Sensorsignale des Sensors 20 liegen über eine Leitung 16 an einem steuerbaren Integrator 22 an. Der Ausgang 24 des steuerbaren Integrators 22 ist mit dem AD- Wandler 12 verbunden. Über die Leitung 26 liegen Steuersignale von der Motorsteuerung 10 an dem steuerbaren Integrator 22 an.
Die Aufintegration der Sensorsignale durch den Integrator 22 wird am Beispiel der Messung des Zylinderdruckverlaufs nachfolgend erläutert. Zum "Zündzeitpunkt" erzeugt die Motorsteuerung ein erstes Steuersignal, das über die Leitung 26 an dem Integrator 22 anliegt. Hiernach befindet sich der Integrator 22 im Zustand "Integrieren", so dass die über Leitung 16 anliegenden Sensorsignale aufintegriert werden. Zu einem definierten Zeitpunkt, der auf das Öffnen des Auslassventils bezogen ist, wird ein zweites Steuersignal 26 an den Integrator 22 angelegt. Auf das zweite Steuersignal ansprechend hält der Integrator den aufintegrierten Wert an seinem Ausgang, so dass dieser über die Leitung 24 an dem AD-Wandler 12 anliegt. Die Motorsteuereinheit 10 liest den am AD-Wandler 12 anliegenden Signalwert ein. Nachfolgend wird ein drittes Steuersignal über die Leitung 26 an dem Integrator angelegt, um diesen in seinen Anfangszustand zurück zu versetzen.
Die Zeitspanne der Integrationsphase wird so gewählt, dass der aufintegrierte Signalverlauf mit einem möglichst kleinen Fehler einen guten Rückschluss auf den Gesamtsignalverlauf zulässt. Hierbei kann beispielsweise die Dauer des Signalverlaufs so bestimmt werden, dass der aufintegrierte Wert möglichst gut von dem nachgeordneten AD-Wandler digitalisiert werden kann. Um dies zu erreichen, wird anhand von Modellwerten eine Dauer für die Aufintegration bestimmt derart, dass Änderungen in dem aufintegrierten Sensorsignal um den erwarteten Modellwert durch den AD-Wandler gut aufgelöst werden können. Hierbei wird ausgehend von der verfügbaren Auflösung des AD-Wandlers eine Zeitspanne bestimmt derart, dass die aufintegrierten Sensorsignale den Abbildungsbereich des AD- Wandlers gut ausschöpfen und systematische Fehler durch die Digitalisierung gering sind.
Das Signal für den Abgasgegendruck wird hierbei beispielsweise in Abhängigkeit von der Krümmergestaltung aufintegriert, während das Auslassventil des betrachteten Zylinders geöffnet ist.
Während der Aufintegration ist eine Wechselwirkung mit anderen Zylindern möglichst gering - d. h. alle anderen Auslassventile sind geschlossen - und/oder der Kolben überstreicht einen definierten Zylinderbereich, beispielsweise mit maximaler Kolbengeschwindigkeit. Bei der Ermittlung des Kompressionsdrucks erfolgt unter Berücksichtigung der Motorbetriebsbezu unterbinden. Das Integrationsende wird dabei möglichst nahe am oberen Totpunkt und der Integrationsanfang möglichst so gewählt, dass die aufintegrierten Signalwerte den Bereich des AD-Wandlers möglichst gut ausnutzen.
Zur Messung des Zylindersdrucksignals des befeuerten Zylinders werden die Sensorsignale um einen von der Motorsteuern definierten Verbrennungsschwerpunkt aufintegriert. Der Verbrennungsschwerpunkt hängt von Zündzeitpunkt, dem Betriebspunkt, insbesondere Drehzahl, Füllung, Restgas (VT) oder EGR bzw. einem Homogenen/Stratified-Betrieb ab. Zur Bestimmung des Verbrennungsschwerpunkts können die verwendeten abhängigen Größen in Kennfeldern abgelegt werden.
Der Saugrohrdruck bzw. das Luftmassensignal wird hierbei um den Zeitpunkt des Öffnens des Einlassventils beim größten Druckgradienten des Einlassventils ermittelt. Hierbei sollte während der Integrationsphase nach Möglichkeit kein Anfluss eines weiteren Einlassventils vorhanden sein, damit es nicht zur Überlagerung der Signale kommt.
Bei der Analyse der Bestandteile der zylinderselektiven Abgaspakete ist nach einer Streckentotzeitkompensation eine Integration über das Zentrum eines Abgaspaketes möglich. Das Zentrum des Abgaspaketes hängt von der Krümmergeometrie und den Ventilsteuerzeiten des betreffenden Zylinders ab und wird von der Motorsteuerung bestimmt.
Fig. 2 zeigt das Beispiel eines an sich bekannten elektronisch gesteuerten Integrators. Selbstverständlich ist es auch möglich, diesen bereits als integrierten Schaltkreis in die Motorsteuerung einzubeziehen. Bei dem in Fig. 2 dargestellten elektronisch ansteuerbaren Integrator bilden die beiden Fets 28 und 30 zwei Schalter, über die die Zustände "Integrieren", "Halten" und "Anfangsbedingung setzen" angesteuert werden. Die Steuersignale werden als Steuerspannungen an die Leitungen 32 und 34 angelegt. Die aufzuintegrierenden Sensorsignale liegen als Spannung U1 an dem Anschluss 36 an. Über den Anschluss 38 wird in an sich bekannter Weise die Anfangsbedingung für den Integrator gesetzt. Der aufintegrierte Wert der Sensorsignale liegt an dem Anschluss 40 an.

Claims

1. Verfahren zur Wandlung hochdynamischer Sensorsignale für eine elektronische Motorsteuerung (10) einer Brennkraftmaschine (18), mit folgenden Verfahrensschritten:

- ansprechend auf ein erstes Steuersignal der Motorsteuerung (10) beginnt ein ansteuerbarer Integrationsschaltkreis (22) die Sensorsignale aufzuintegrieren,

- ansprechend auf ein zweites Steuersignal der Motorsteuerung (10) unterbricht der Integrationsschaltkreis das Aufintegrieren und legt den seit dem ersten Steuersignal aufintegrierten Wert der Sensorsignale als Eingangswert an die Motorsteuerung an.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach einem Einlesen des aufintegrierten Werts der Ausgangswert des Integrationsschaltkreises durch ein drittes Steuersignal zurückgesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten und zweiten Steuersignal eine vorbestimmte Zeitspanne liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Zeitspanne kurz im Vergleich zum Arbeitstakt der Brennkraftmaschine gewählt ist derart, dass der aufintegrierte Wert einen Rückschluss auf den Gesamtsignalverlauf zulässt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Zeitspanne derart bestimmt ist, dass die aufintegrierten Sensorsignale durch einen AD-Wandler, dessen Ausgangssignale an der Motorsteuerung anliegen, entsprechend der Auflösung des AD-Wandlers digitalisiert werden, wobei die digitalisierten Signale den Abbildungsbereich des AD-Wandlers ausnutzen.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder zweite Steuersignal für den Integrationsschaltkreis abhängig von einem Arbeitstakt der Brennkraftmaschine an den Integrationsschaltkreis angelegt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für einen Sensor zur Erfassung des Abgasgegendrucks das erste Steuersignal zum Zeitpunkt des Auslassventilöffnens (AÖ) und das zweite Steuersignal vor dem Auslassventilschließens (AS) durch die Motorsteuerung erzeugt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufintegrieren der Sensorsignale erfolgt während die übrigen Auslassventile geschlossen sind.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufintegrieren der Sensorsignale erfolgt während ein Kolben einen definierten Zylinderbereich überstreicht, bevorzugt einen Zylinderbereich mit maximaler Geschwindigkeit.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für einen Sensor zur Erfassung des Zylinderdrucks das erste Steuersignal zum Zeitpunkt des Einlassventilschließens (Es) und das zweite Steuersignal vor dem Zeitpunkt des oberen Totpunkts (OT) erzeugt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für einen Sensor zur Erfassung des Zylinderdrucks das erste Steuersignal zum Zündwinkelzeitpunkt (IGA) und das zweite Steuersignal vor dem Zeitpunkt des Auslassventilöffnens (AÖ) erzeugt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Steuersignal vor und das zweite Steuersignal nach einem Verbrennungsschwerpunkt erzeugt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt des Verbrennungschwerpunkts abhängig von Zündzeitpunkt und/oder einem Betriebspunkt von der Motorsteuerung berechnet wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für einen Sensor für den Saugrohrdruck oder für den Luftmassenstrom der Zylinderfüllung das erste Steuersignal zum Zeitpunkt des Einlassventilöffnens (EÖ) und das zweite Steuersignal vor dem Zeitpunkt des Einlassventilschließen (EZ) erzeugt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufintegrieren der Sensorsignale erfolgt während der Druckgradient am Einlassventil möglichst groß ist.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung von Abgaspaketen eines einzelnen Zylinders für einen Sensor für Abgase oder Abgaszusammensetzungen das erste Steuersignal zum Zeitpunkt des Auslassventilöffnens (EÖ) und das zweite Steuersignal vor dem Zeitpunkt des Ausgangsventilschließens (AS) des Zylinders erzeugt wird.

17. Vorrichtung zur Wandlung hochdynamischer Sensorsignale für eine elektronische Motorsteuerung (10), mit
einem oder mehreren Sensoren (20) zur Erfassung einer Zustandsgröße der Brennkraftmaschine (18),
einem AD-Wandler (12), dessen digitaler Ausgang an einer Motorsteuerung (10) anliegt, und
einem ansteuerbaren Integrator (22), an dem das Sensorsignal als Eingangssignal (16) und dessen Ausgangswert (24) an dem AD-Wandler (12) anliegt,
wobei die Steuereinheit (10) mit Mitteln versehen ist, die Steuersignale für Anfang und Ende der Integrationsdauer erzeugen und an den ansteuerbaren Integrator anlegen.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung der Steuersignale abhängig vom Arbeitstakt der Brennkraftmaschine die Steuersignale erzeugen.