DE10204196B4

DE10204196B4 - Verfahren zum Ermitteln der Kurbelwellenstellung einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10204196B4
Application number: DE10204196A
Authority: DE
Inventors: Ingolf 70806 Rupp; Michael 75417 Lehner; Elmar 70806 Pietsch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-02-01
Filing date: 2002-02-01
Publication date: 2011-07-07
Anticipated expiration: 2022-02-02
Also published as: US6895931B2; US20030168044A1; JP4393078B2; DE10204196A1; FR2835568A1; JP2003232254A; ITMI20030147A1; FR2835568B1

Abstract

Verfahren zum Ermitteln der Kurbelwellenstellung einer Brennkraftmaschine bei Ausfall des Kurbelwellengebers, wobei durch Auswertung der von einem Nockenwellengeber erfassten Nockenwellenstellung ein Wert für die aktuelle Kurbelwellenstellung bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenwellenstellung mit Hilfe eines Absolutwinkelgebers kontinuierlich erfasst wird, dass die Nockenwellenstellung in einem definierten Zeitraster erfasst wird, dass für jede erfasste Nockenwellenstellung ein Wert für die entsprechende Kurbelwellenstellung ermittelt wird, und dass der Wert für die aktuelle Kurbelwellenstellung durch Extrapolation bestimmt wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln der Kurbelwellenstellung einer Brennkraftmaschine bei Ausfall des Kurbelwellengebers, wobei durch Auswertung der von einem Nockenwellengeber erfassten Nockenwellenstellung ein Wert für die aktuelle Kurbelwellenstellung bestimmt wird.
Mit Hilfe eines solchen Verfahrens kann eine Notlauffunktion zur Synchronisation von Motor und Motorsteuerung realisiert werden.
In der deutschen Offenlegungsschrift DE 43 13 331 A1 wird ein Verfahren der eingangs genannten Art beschrieben. Die Nockenwellenstellung wird hier mit Hilfe eines mit der Nockenwelle fest verbundenen Geberrades und eines Nockenwellengebers erfasst. Das Geberrad ist mit einer Bezugsmarke versehen, die mit dem Geberrad und also mit der Nockenwelle rotiert. Der Nockenwellengeber gibt bei jedem Umlauf der Bezugsmarke ein Signal ab, das einer bestimmten Winkelposition der Nockenwelle entspricht. Dementsprechend lässt sich die Nockenwellenstellung nur zu den Zeitpunkten der Signalabgabe genau bestimmen, d. h. immer nur dann, wenn die Bezugsmarke den Nockenwellengeber passiert. Bei Ausfall des Kurbelwellengebers wird die Kurbelwellenstellung anhand der vom Nockenwellengeber erfassten Winkelpositionen bestimmt bzw. geschätzt, da die Drehbewegungen der Kurbelwelle und der Nockenwelle gekoppelt sind. Nur wenn sich die Nockenwellenstellung genau bestimmen lässt, kann auch die Kurbelwellenstellung genau bestimmt werden. Zwischen den einzelnen vom Nockenwellengeber erfassten Winkelpositionen wird die Kurbelwellenstellung durch Extrapolation aus den vorab erfassten Winkelpositionen der Nockenwelle geschätzt. Bei Berücksichtigung des Übersetzungsverhältnisses zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle erfolgt hier also eine Extrapolation über 180° Kurbelwellenwinkel.
Aus Platzgründen ist das mit der Nockenwelle verbundene Geberrad relativ klein, so dass die Anzahl der auf dem Geberrad angeordneten Bezugsmarken nicht wesentlich erhöht werden kann. Die maximale Anzahl der Bezugsmarken wird außerdem durch das Auflösungsvermögen des Nockenwellengebers begrenzt. insgesamt ist die Auflösung des Nockenwellengebersignals deshalb in der Regel sehr viel geringer als die Auflösung des Kurbelwellengebersignals. Dadurch erweist sich das in der DE 43 13 331 A1 beschriebene Verfahren zum Ermitteln der Kurbelwellenstellung einer Brennkraftmaschine bei Ausfall des Kurbelwellengebers als problematisch. So unterliegt die Kurbelwellendrehung insbesondere im unteren Drehzahlbereich und beim Starthochlauf einer relativ großen Dynamik, die mit Hilfe des Nockenwellengebers nicht hinreichend genau erfasst werden kann. Bei Ausfall des Kurbelwellengebers kann es daher zu sehr großen Winkelfehlern bei der Bestimmung der Kurbelwellenstellung kommen, was sich wiederum sehr negativ auf das Start- und Fahrverhalten des Fahrzeugs auswirken kann. im Extremfall kann es durch die großen Zundwinkelfehler sogar zu kritischen Betriebszuständen für einzelne Motorkomponenten kommen.
Auch die EP 0 683 309 B1 beschreibt ein Verfahren zur Notlaufsteuerung einer Brennkraftmaschine, bei welchem bei Ausfall des Kurbelwellen-Sensors Kurbelwellensignale aus Signalen des Nockenwellen-Gebers nachgebildet werden. In der JP 05 133 268 A ist ebenfalls offenbart, dass bei Ausfall eines Winkelgebers, insbesondere einer Kurbel- oder Nockenwelle einer Verbrennungsmaschine, der Winkelgeber der anderen Welle herangezogen werden kann.
DE 19 927 191 A1 zeigt ein Verfahren zur Korrektur eines Winkelfehlers eines Absolutwinkelgebers. Dabei wird der bestimmte Wert eines Absolutwinkelgebers für die Drehbewegung einer ersten Welle korrigiert mit Hilfe des Wertes eines zweiten Winkelgebers für die Drehbewegung einer zweiten Welle.
In der DE 19 520 299 A1 wird vorgeschlagen, zwei getrennte Sensorsysteme nach unterschiedlichen physikalischen Prinzipien einzusetzen, und die Ergebnisse beider Sensorsysteme für eine Auswertung heranzuziehen.
Vorteile der Erfindung
Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren der eingangs genannten Art vorgeschlagen, mit dem sich die Kurbelwellenstellung bei Ausfall des Kurbelwellengebers zu allen Zeiten relativ genau ermitteln lässt. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche 1 oder 6 gelöst. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Nockenwellenstellung mit Hilfe eines Absolutwinkelgebers kontinuierlich erfasst wird. Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass es mit Hilfe eines Absolutwinkelgebers auf der Nockenwelle möglich ist, bei Ausfall des Kurbelwellengebers einen robusten Notlaufbetrieb darzustellen, wenn die Nockenwellenstellung kontinuierlich erfasst wird. Erfindungsgemäß wird die Nockenwellenstellung in einem definierten Zeitraster erfasst. Bei einer entsprechend hohen zeitlichen Auflösung des Absolutwinkelgebersignals kann insbesondere auch im kritischen unteren Drehzahlbereich ein zuverlässiger Notlaufbetrieb gewährleistet werden. Wie bereits erwähnt, ist die relative Dynamik der Kurbelwellendrehung bei niedrigen Drehzahlen am höchsten. Da die Drehgeschwindigkeit der Kurbelwelle und dementsprechend auch der Nockenwelle in diesen Fällen relativ klein ist, erfasst der Absolutwinkelgeber pro Umdrehung relativ viele Winkelpositionen der Nockenwelle, die die Dynamik der Drehbewegung entsprechend genau wiedergeben. Bei höheren Drehzahlen ist die relative Dynamik geringer, so dass in diesem Drehzahlbereich die Dynamik der Drehbewegung durch eine geringere Anzahl von erfassten Winkelpositionen hinreichend genau wiedergegeben werden kann. Demnach lässt sich die Kurbelwellenstellung bei Ausfall des Kurbelwellengebers mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens auch dann sehr gut, d. h. allenfalls mit einem geringen Winkelfehler, ermitteln, wenn die Kurbelwellenstellung aus den erfassten Nockenwellenstellungen extrapoliert werden muss. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht außerdem eine Synchronisation von Motor und Motorsteuergerät in jeder beliebigen Winkelposition der Nockenwelle, so dass sich auch bei Ausfall des Kurbelwellengebers keine nennenswerten Verzögerungen beim Starthochlauf ergeben.
Im Rahmen einer möglichen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird für jede erfasste Nockenwellenstellung ein Wert für die entsprechende Kurbelwellenstellung ermittelt. Durch Extrapolation der so ermittelten Kurbelwellenstellungen kann dann einfach ein Wert für die aktuelle Kurbelwellenstellung bestimmt werden.
Die Messwerterfassung von Absolutwinkelgebern ist in der Regel temperatur- und druckabhängig, so dass das Messsignal des Absolutwinkelgebers bedingt durch den Betrieb der Brennkraftmaschine oftmals fehlerbehaftet ist. Der Winkelfehler Δφ kann im Normalbetrieb der Brennkraftmaschine beispielsweise anhand des Kurbelwellengebersignals für jede Winkelposition der Nockenwelle bestimmt werden. In vorteilhafter Weise wird dieser Winkelfehler Δφ des Absolutwinkelgebers im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens als Korrekturwert bei der Bestimmung des Wertes für die aktuelle Kurbelwellenstellung berücksichtigt.
Grundsätzlich kann die Extrapolation im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens in unterschiedlicher Weise durchgeführt werden. In einer einfachsten Variante werden dabei nur die Kurbelwellenstellungen berücksichtigt, die vorab aus den mit Hilfe des Absolutwinkelgebers erfassten Nockenwellenstellungen ermittelt worden sind. Das Ergebnis der Extrapolation kann verbessert werden, wenn zusätzlich die aktuelle Winkelgeschwindigkeit ω der Kurbelwelle berücksichtigt wird, die beispielsweise einfach anhand des Winkels, der innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls zurückgelegt worden ist, geschätzt werden kann. Das Ergebnis der Extrapolation kann ferner dadurch verbessert werden, dass bei der Bestimmung des Werts für die aktuelle Kurbelwellenstellung auch die Dynamik Δω der Drehbewegung der Kurbelwelle berücksichtigt wird.
Zeichnung
Wie bereits voranstehend ausführlich erörtert, gibt es unterschiedliche Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung eines Anwendungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung verwiesen.
Die einzige Figur zeigt ein Diagramm, in dem die mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmte Winkelposition der Kurbelwelle im Zeitraster der Erfassung der Nockenwellenstellung dargestellt ist.
Beschreibung eines Anwendungsbeispiels
Zur Drehzahlerfassung an der Kurbelwelle wird in der Praxis häufig ein Geberrad mit (60 – 2) oder (36 – 2) Winkelmarken in Form von Zähnen eingesetzt. Dieses Geberrad ist mit der Kurbelwelle fest verbunden, so dass es mit dieser rotiert. Die Winkelmarken werden mit Hilfe eines Kurbelwellengebers abgetastet, der beispielsweise induktiv, magnetoresistiv oder auch unter Ausnutzung des Halleffekts arbeitet. Jede Winkelmarke des Geberrades entspricht also einer definierten Kurbelwellenstellung. Das Ausgangssignal des Kurbelwellengebers wird in ein Rechtecksignal transformiert, wobei jeder Rechteckpuls das Auftreten einer Winkelmarke und damit einer definierten Kurbelwellenstellung wiedergibt. Im Normalbetrieb werden die Zündungs- und Einspritzvorgänge der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von der Kurbelwellenstellung und der Geschwindigkeit, mit der sich die Kurbelwelle dreht, ausgelöst. Dazu werden die vom Kurbelwellengeber erfassten Winkelmarken gezählt. Die Zündungs- und Einspritzvorgänge werden dann in Abhängigkeit vom Zählerstand ausgelöst.
Bei Ausfall des Kurbelwellengebers wird ein Notlauf gestartet, bei dem das Ausgangssignal des Kurbelwellengebers bzw. das entsprechende Rechtecksignal mit Hilfe der von einem Nockenwellengeber erfassten Informationen simuliert wird, um den erforderlichen Eingriff in das Gesamtsystem der Motorsteuerung möglichst gering zu halten. Dazu werden die Interrupts, die im Normalbetrieb über das Ausgangssignal des Kurbelwellengebers ausgelöst werden, über eine Software Notlauffunktion getriggert. Dabei wird eine extrapolierte Zahnzeit zugrundegelegt, d. h. ein aus der unmittelbaren Vergangenheit extrapolierter zeitlicher Abstand zwischen den zu zählenden Rechteckpulsen. Die extrapolierte Zahnzeit wird anhand der vom Nockenwellengeber erfassten Informationen aktualisiert.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Absolutwinkelgeber als Nockenwellengeber verwendet, mit dem die Nockenwellenstellung kontinuierlich, hier in einem definierten Zeitraster, erfasst wird. Im Notlauf kann die Zahnzeit zwischen den simulierten Rechteckpulsen durch die so gewonnenen Informationen des Absolutwinkelgebers sehr genau bestimmt und insbesondere auch im Zeitraster des Absolutwinkelgebers aktualisiert werden, so dass bei der Bestimmung der Kurbelwellenstellung allenfalls geringe Winkelfehler auftreten. Dazu wird für jede vom Absolutwinkelgeber erfasste Nockenwellenstellung ein Wert für die entsprechende Kurbelwellenstellung ermittelt. Das Auftreten einer definierten Kurbelwellenstellung, die einer Winkelmarke entspricht, wird dann durch Extrapolation der so ermittelten Kurbelwellenstellungen bestimmt. In vorteilhafter Weise wird dabei ein Korrekturwert Δφ berücksichtigt, der im Normalbetrieb als Winkelfehler des Absolutwinkelgebers ermittelt worden ist.
Diese Vorgehensweise wird durch das in der einzigen Figur dargestellte Diagramm veranschaulicht. Die t-Achse gibt das Zeitraster wieder, in dem die Nockenwellenstellung mit Hilfe des Absolutwinkelgebers erfasst bzw. abgetastet wird. Auf der φ-Achse wird die Motorwinkelposition in Grad Kurbelwellenstellung wiedergegeben. Als Messpunkte • sind die Kurbelwellenstellungen eingetragen, die den mit Hilfe des Absolutwinkelgebers erfassten Nockenwellenstellungen entsprechen. Dieses Diagramm veranschaulicht, dass aufgrund des definierten Zeitrasters im unteren Drehzahlbereich mehr Messpunkte erfasst werden als in höheren Drehzahlbereichen, so dass auch die relative Dynamik der Drehbewegung gut erfasst wird. Die Messpunkte • sind durch eine extrapolierte Kurve verbunden, der die definierten Kurbelwellenstellungen entnommen werden können. An den Abtastzeitpunkten t2 und t21 tritt jeweils eine Unstetigkeitsstelle auf, die den Übergang ins neue Arbeitsspiel des Motors darstellt.
Wie bereits erwähnt, hängt die Güte des im Notlauf simulierten Ausgangssignals des Kurbelwellengebers wesentlich von der der Simulation zugrundeliegenden Zahnzeit ab, die aber immer nur geschätzt bzw. aus den vorangegangenen Messwerten extrapoliert werden kann. Es erweist sich als vorteilhaft, neben den Kurbelwellenstellungen, die den erfassten Nockenwellenstellungen entsprechen, auch die aktuelle Winkelgeschwindigkeit ω der Kurbelwelle bei der Extrapolation zu berücksichtigen. Eine relativ aktuelle Winkelgeschwindigkeit ω kann beispielsweise aufgrund des Winkels bestimmt werden, der innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls, beispielsweise innerhalb des letzten Zeitintervalls zwischen dem Erfassen zweier Nockenwellenstellungen, zurückgelegt worden ist. Des Weiteren erweist es sich als vorteilhaft, wenn bei der Extrapolation zur Ermittlung der definierten Kurbelwellenstellungen bzw. eines Wertes für die aktuelle Zahnzeit die Dynamik Δω der Drehbewegung der Kurbelwelle berücksichtigt wird. Zur Bestimmung dieser Größe können neben den Informationen des Absolutwinkelgebers beispielsweise auch Informationen weiterer Geber herangezogen werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht also eine Aktualisierung der Zahnzeit in Abhängigkeit vom jeweiligen Korrekturwert Δφ, der aktuellen Winkelgeschwindigkeit ω und/oder der aktuellen Dynamikbewertung Δω. Zahnzeit = f(Δφ, ω, Δω)
Außerdem lässt sich die Motorsteuerung bei Ausfall des Kurbelwellengebers mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens unverzüglich synchronisieren, also unabhängig von der aktuellen Kurbelwellenstellung und Nockenwellenstellung. Dazu wird der entsprechende Zähler einfach auf die aktuelle Winkelposition gesetzt, die der Absolutwinkelgeber liefert.
Alternativ können die Zahninterrupts auch direkt von einer capture compare Einheit ausgelöst werden, wenn das Signal des Absolutwinkelgebers als Spannung proportional zur erfassten Winkelposition der Nockenwelle vorliegt. Dabei wird die capture compare Einheit mit dem jeweils nächsten Spannungswert geladen, d. h. dem Spannungswert, der der nächsten Winkelposition entspricht.

Claims

Verfahren zum Ermitteln der Kurbelwellenstellung einer Brennkraftmaschine bei Ausfall des Kurbelwellengebers, wobei durch Auswertung der von einem Nockenwellengeber erfassten Nockenwellenstellung ein Wert für die aktuelle Kurbelwellenstellung bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenwellenstellung mit Hilfe eines Absolutwinkelgebers kontinuierlich erfasst wird, dass die Nockenwellenstellung in einem definierten Zeitraster erfasst wird, dass für jede erfasste Nockenwellenstellung ein Wert für die entsprechende Kurbelwellenstellung ermittelt wird, und dass der Wert für die aktuelle Kurbelwellenstellung durch Extrapolation bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestimmung des Wertes für die aktuelle Kurbelwellenstellung ein Korrekturwert Δφ berücksichtigt wird, der im Normalbetrieb als Winkelfehler des Absolutwinkelgebers ermittelt worden ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestimmung des Werts für die aktuelle Kurbelwellenstellung durch Extrapolation die aktuelle Winkelgeschwindigkeit ω der Kurbelwelle berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass anhand des Winkels, der innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls zurückgelegt worden ist, ein Wert für die aktuelle Winkelgeschwindigkeit ω der Kurbelwelle bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestimmung des Werts für die aktuelle Kurbelwellenstellung durch Extrapolation die Dynamik Δω der Drehbewegung der Kurbelwelle berücksichtigt wird.
Verfahren zum Auslösen von Vorgängen, die von der Kurbelwellenstellung abhängig sind, insbesondere zum Auslösen von Zündungs- und Einspritzvorgängen, wobei die Kurbelwellenstellung im Normalbetrieb mit Hilfe eines Kurbelwellengebers erfasst wird, der Winkelmarken eines mit der Kurbelwelle fest verbundenen und mit dieser rotierenden Geberrades erfasst, so dass jede Winkelmarke einer definierten Kurbelwellenstellung entspricht, wobei im Normalbetrieb die Vorgänge in Abhängigkeit von der Zahl der durch den Kurbelwellengeber erfassten Winkelmarken ausgelöst werden, d. h. in Abhängigkeit von der Kurbelwellenstellung und der Geschwindigkeit, mit der sich die Kurbelwelle dreht, und wobei bei Ausfall des Kurbelwellengebers ein Notlauf gestartet wird, bei dem das Ausgangssignal des Kurbelwellengebers mit Hilfe der von einem Nockenwellengeber erfassten Informationen simuliert wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Absolutwinkelgeber als Nockenwellengeber verwendet wird, mit dem die Nockenwellenstellung kontinuierlich in einem definierten Zeitraster erfasst wird, dass im Notlauf für jede erfasste Nockenwellenstellung ein Wert für die entsprechende Kurbelwellenstellung ermittelt wird, und dass im Notlauf das Auftreten einer definierten Kurbelwellenstellung, die einer Winkelmarke entspricht, durch Extrapolation der Kurbelwellenstellungen bestimmt wird, die anhand der erfassten Nockenwellenstellungen ermittelt worden sind.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestimmung des Auftretens einer definierten Kurbelwellenstellung, die einer Winkelmarke entspricht, ein Korrekturwert Δφ berücksichtigt wird, der im Normalbetrieb als Winkelfehler des Absolutwinkelgebers ermittelt worden ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung einer definierten Kurbelwellenstellung durch Extrapolation die aktuelle Winkelgeschwindigkeit ω der Kurbelwelle berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass anhand des Winkels, der innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls zurückgelegt worden ist, ein Wert für die aktuelle Winkelgeschwindigkeit Δω der Kurbelwelle bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung einer definierten Kurbelwellenstellung durch Extrapolation die Dynamik Δω der Drehbewegung der Kurbelwelle berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Notlauf das Zeitintervall zwischen dem Auftreten von zwei durch aufeinanderfolgende Winkelmarken definierten Kurbelwellenstellungen in Abhängigkeit vom jeweiligen Korrekturwert Δφ, der aktuellen Winkelgeschwindigkeit ω und/oder der aktuellen Dynamikbewertung Δω aktualisiert wird.