Verfahren zur Drehmomentbestimmung einer Brennkraftmaschine

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Drehmo ^¬ mentbestimmung einer Brennkraftmaschine sowie eine Vorrichtung, insbesondere ein Kraftfahrzeug, mit einer Brennkraftmaschine, die ein Drehmoment an einen Antriebsstrang abgibt.

Das abgegebene Ist-Drehmoment einer Brennkraftmaschine, im Fol ^¬ genden kurz als Drehmoment der Brennkraftmaschine bezeichnet, ist für die Steuerung unterschiedlichster Betriebsparameter der Brennkraftmaschine von Bedeutung. Insbesondere kann anhand ei ^¬ nes aktuell, d.h. zu einem bestimmten Zeitpunkt, abgegebenen Drehmomentes ein Vergleich zwischen dem Soll-Drehmoment und dem Ist-Drehmoment stattfinden, welches beispielsweise in einem Ar ^¬ beitstakt eines einzelnen Zylinders unmittelbar Rückschlüsse auf die tatsachlich eingespritzte Kraftstoffmenge eines Diesel ^¬ motors oder eines direkt einspritzenden Benzinmotors zulasst. Das Ist-Drehmoment wird heutzutage üblicherweise im Antriebs ^¬ strang nicht erfasst. Das Soll-Drehmoment der Brennkraftmaschi ^¬ ne wird sowohl bei einer Dieselbrennkraftmaschine als auch bei einer direkt einspritzenden Benzinbrennkraftmaschine unter an ^¬ derem über die eingespritzte Kraftstoffmenge gesteuert.

Probleme des Standes der Technik

Es wird in heutigen Steuerungen für Brennkraftmaschinen ein erheblicher Aufwand betrieben, um die Mengenstreuung des Systems,

hier insbesondere eines Injektors, auszugleichen. Dazu werden unterschiedlichste Verfahren angewendet, beispielsweise eine Nullmengenkalibrierung, Leerlaufruheregier, Injektor- Mengenausgleich, Mittelwertadaption und dergleichen. Derartige Abgleiche sind notwendig, da die eingespritzte Menge nicht ge ^¬ messen und damit geregelt, sondern lediglich mittelbar, beispielsweise über das abgegebene Drehmoment, Brennraumdrucke o- der dergleichen erfasst werden kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine einfach zu realisierende Drehmomenterfassung an der Brennkraftmaschine anzugeben. Zusatzlich soll das Auflösungsvermögen der Drehmomenterfassung ausreichen, um zylinderselektive Drehmomente zu erfassen .

Vorteile der Erfindung

Das oben genannte Problem wird gelost durch ein Verfahren zur Drehmomentbestimmung einer Brennkraftmaschine, wobei Bewegungen der Brennkraftmaschine erfasst werden und daraus ein durch die Brennkraftmaschine abgegebenes Drehmoment bestimmt wird. Unter Bewegungen werden hier Relativbewegungen zu einem festen, insbesondere karosseriefesten Bezugssystem verstanden, beispielsweise also Schwingungen einer Brennkraftmaschine gegenüber ih- rer Aufhangung. Insbesondere werden hier unter Bewegungen Schwingungen eines Motorblocks einer Brennkraftmaschine gegen ^¬ über ihrer karosseriefesten Aufhangung in einem Kraftfahrzeug verstanden. Brennkraftmaschinen sind in Fahrzeugen federnd gelagert. Da die Brennkraftmaschine in der Frequenz der Arbeits- takte impulsartig Drehmoment abgibt, ergibt sich eine Schuttel- bewegung des Motors aufgrund der Trägheit des Antriebsstranges. Diese Schuttelbewegung äußert sich z. B. in Drehbewegungen des Motorgehäuses um die Kurbelwelle.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Bewegungen der Brennkraftmaschine wahrend eines Arbeitstaktes mindestens eines Zy ^¬ linders erfasst werden und das durch den Zylinder erzeugte Drehmoment ermittelt wird. Es wird also eine Zuordnung des je- weils abgegebenen Drehmomentes auf einen einzelnen Zylinder betrieben. Dabei ist der Kurbelwellenwinkel und der Arbeitstakt eines jeden Zylinders jeweils bekannt, so dass eine Zuordnung der Drehmomentabgabe über den Kurbelwellenwinkel gegeben ist.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass Drehbewegungen der Brennkraftmaschine gegenüber einer karosseriefesten Aufhangung gemessen werden und unter Berücksichtigung der Drehtragheit der Brennkraftmaschine das durch einen Zylinder erzeugte Drehmoment bestimmt wird. Die Karosserie eines Kraftfahrzeuges wird hier also als festes Bezugssystem für die Relativbewegungen der Brennkraftmaschine innerhalb der Karosserie herangezogen. Vor ^¬ zugsweise ist dabei vorgesehen, dass Frequenz, Phasenlage sowie Amplitude der Bewegungen/Schwingungen der Brennkraftmaschine gemessen werden. Die Bewegungen äußern sich in Schwingungen mit einem Frequenz-Spektrum. Die Grundfrequenz kann dabei durch einen Bandpass zur Bestimmung von Phasenlage und Amplitude der Bewegungen/Schwingungen der Brennkraftmaschine herausgefiltert werden. Da die Grundfrequenz aus der Drehzahl der Brennkraftmaschine bekannt ist (F = N/60 * Z/2) kann die Durchlassfrequenz des Bandpasses aus der Drehzahl der Brennkraftmaschine festge ^¬ legt werden und entsprechend bei änderungen mitgefuhrt werden. In einer besonders einfachen Ausfuhrungsform kann die Grundfrequenz durch einen Tiefpass zur Bestimmung von Phasenlage und Amplitude in der Bewegung/Schwingung der Brennkraftmaschine herausgefiltert werden. Statt eines Bandpasses kann dabei also ein einfacherer Tiefpass verwendet werden.

Das eingangs genannte Problem wird auch gelost durch eine Vor ^¬ richtung, insbesondere ein Kraftfahrzeug, mit einer Brennkraft-

maschine, die ein Drehmoment an einen Antriebsstrang abgibt, wobei die Vorrichtung Mittel zur Messung einer Bewegung der Brennkraftmaschine umfasst und das abgegebene Drehmoment aus der Messung der Bewegung der Brennkraftmaschine ermittelt wer- den kann.

Zeichnungen

Nachfolgend wird ein Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Er- findung anhand der beiliegenden Zeichnung naher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Skizze einer Brennkraftmaschine;

Fig. 2 ein Frequenzspektrum von Schuttelbewegungen einer

Brennkraftmaschine;

Fig. 3 eine Anordnung zur Drehzahlerfassung bei einer

Brennkraftmaschine;

Fig. 4 ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemaßen Verfahrens.

Fig. 1 zeigt eine Skizze einer Brennkraftmaschine 1 mit einem Motorblock 2, mehreren Zylindern 3, in denen in bekannter Art und Weise Kolben, die über Pleuel auf eine Nockenwelle 4 ein ^¬ wirken, angeordnet sind sowie einen Zylinderkopf 5. Die Brenn ^¬ kraftmaschine 1 ist in einem nicht naher dargestellten Motorraum eines Fahrzeuges angeordnet, wobei sich die Brennkraftma ^¬ schine 1 zum einen über die Kurbelwelle 4 und eine nicht darge- stellte Fahrzeugkupplung sowie ein ebenfalls nicht dargestell ^¬ tes Getriebe, zum anderen über mehrere Motorblockaufhangungen 6 an einer nicht dargestellten Fahrzeugkarosserie abstutzt.

Wenn die Brennkraftmaschine 1 ein Antriebsmoment M A über die Kurbelwelle 4 an den nicht dargestellten weiteren Antriebsstrang des Fahrzeuges abgibt, erfordert das Momentengleichge ^¬ wicht, dass ein entsprechendes Abstutzmoment M S über die Mo- toraufhangung in die Karosserie des Fahrzeuges eingeleitet wird. Ist das Antriebsmoment M A nicht konstant, sondern über die Zeit veränderlich, so ist für das Momentengleichgewicht zu ^¬ satzlich das Trägheitsmoment M_T der Brennkraftmaschine 1 zu berücksichtigen, wobei sich samtliche Momente zu 0 addieren.

Die Motorblockaufhangungen 6 umfassen motorblockfeste Elemente 7 sowie karosseriefeste Elemente 9, die über elastische Verbin ^¬ dungsmittel 8 miteinander verbunden sind.

Durch die elastische Aufhangung der Brennkraftmaschine fuhrt diese Drehbewegung bzw. lineare Bewegung x und y aus. Mit x sind hier Bewegungen der motorblockfesten Elemente 7 gegenüber den karosseriefesten Elementen 9 bezeichnet, mit y sind beispielhaft Bewegungen des Zylinderkopfes 5 gegenüber der Karos- serie bezeichnet.

Die Brennkraftmaschine gibt das Drehmoment M A in der Frequenz der Arbeitstakte impulsartig ab. Daraus ergibt sich eine Schut- telbewegung der Brennkraftmaschine in Form der Bewegungen x und y aufgrund der Trägheit des Antriebsstranges. Diese Schuttelbe- wegungen hangen bezuglich ihrer Frequenz von der Motordrehzahl ab, bezuglich der Amplitude hangen diese von der abgegebenen Leistung und bezuglich der Phasenlage vom Zundzeitpunkt ab.

Die sich einstellende Mittellage oder Nulllage der Brennkraft ^¬ maschine bzw. des Motorblocks in der drehbar gelagerten Aufhangung ist ein direktes Maß für die mittlere abgegebene Leistung. Schwingt der Motorblock um seine Nullage, so befindet sich die Brennkraftmaschine im Leerlauf, ist deren mittlere Lage nega-

tiv, so ist die Brennkraftmaschine im Schubbetrieb, ist die mittlere Lage positiv, so gibt die Brennkraftmaschine ein Dreh ^¬ moment ab. Eine positive Auslenkung ist eine Drehung aus der Nullage entgegen der Drehrichtung der Kurbelwelle, eine negati- ve Auslenkung entsprechend in Drehrichtung der Kurbelwelle.

Die Bewegungen x und y können beispielsweise durch einen geeig ^¬ neten Wegaufnehmer 10, dies kann beispielsweise ein Lasermeß ^¬ system oder dergleichen sein, oder über Piezzoaufnehmer, Deh- nungsmessstreifen oder dergleichen zwischen den motorblockfes- ten Elementen 7 und den karosseriefesten Elementen 9 erfolgen.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel eines gemessenen Frequenz-Spektrums für eine V8-Brennkraftmaschine dargestellt über verschiedenen Drehzahlen. Dargestellt sind Bewegungen, beispielsweise wie in Fig. 1 dargestellt, die Wege X und Y z.B. in Millimetern über der Drehzahl N der Brennkraftmaschine. Die Hauptanregung ist im vorderen Bereich des Diagramms, sprich bei niedriger Frequenz, zu erkennen und mit einer Linie F H gekennzeichnet. Die Fre- quenz F H der Hauptanregung errechnet sich zu

F_H = N/ 60 * Z/2

wobei

F_H = die Frequenz der Hauptanregung in Hertz,

Z = die Zylinderzahl,

N = die Drehzahl des Motors in Umdrehungen pro Minute ist.

Da die Motordrehzahl und die Zylinderzahl im Steuergerat be ^¬ kannt sind, kann softwaretechnisch ein Bandpass nachgefuhrt werden, der die Frequenz F_H herausfiltert und damit Phasenlage und Amplitudenschwankungen ausgewertet werden. In erster Nahrung ist ein reiner Tiefpass ausreichend, da die Frequenzantei-

Ie unterhalb der Anregungsfrequenz F H sehr gering sind und Frequenz, Phasenlage sowie Amplitudenschwankungen vor allem im unteren Drehzahlbereich benotigt werden. Dies korreliert direkt mit der Laufruhe und lasst bei entsprechender Auflosungsgenau- igkeit einen Ruckschluss auf den Einspritzzeitpunkt und die Einspritzmenge zu. Die Aufnahme der Schwingungen muss über ein geeignetes Meßsystem, beispielsweise einen Laser, einen modifi ^¬ zierten Drehratensensor oder einen Piezzoaufnehmer an den Auflagerpunkten der Brennkraftmaschine erfolgen.

Bei einer Drehzahl von beispielsweise 1500 U/min gemäß Fig. 2 konnte ein Bandpass mit einer Durchlassfrequenz im Bereich von 100 Hertz, beispielsweise 90 bis 110 Hertz, auf das Messsignal der Schuttelbewegung in Form beispielsweise der Wege x und y gelegt werden. Aus der Amplitude dieser Schuttelbewegung, der Federsteifigkeit und Dampfung der Motoraufhangung sowie dem Massentragheitsmoment der Brennkraftmaschine - so dieses nicht vernachlassigbar ist gegenüber den Auflagerkraften - kann das Drehmoment M A unmittelbar bestimmt werden. Der daraus bestimm- te Drehmomentverlauf M A über der Zeit lasst unmittelbar einen Ruckschluss auf den Einspritzzeitpunkt und durch eine entspre ^¬ chende Modellierung des Verbrennungsvorganges auch einen Ruck ^¬ schluss auf die Einspritzmenge zu.

In einem alternativen Ausfuhrungsbeispiel erfolgt die Erfassung der Drehbewegung des Motorblocks über einen veränderten Drehzahlgeber der Brennkraftmaschine. Mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine ist eine Geberscheibe gemäß Fig. 3 verbun ^¬ den.

Fig.3 zeigt eine Skizze mit einer Geberscheibe 11, die bei ^¬ spielsweise unmittelbar an der Kurbelwelle 4 angeordnet ist o- der mittelbar mittels Getriebeelementen bezuglich der Rotation mit der Kurbelwelle 4 bzw. einer in Fig. 1 nicht dargestellten

Nockenwelle verbunden ist. Die Geberscheibe 11 rotiert um eine Achse 12. Am Außenumfang der Geberscheibe 11 sind Geberradmarken 13 angeordnet. Die Geberradmarken 13 bestehen beispielswei ^¬ se aus Zahnen 14, die jeweils aquidistant über den Außenumfang der Geberscheibe 11 angeordnet sind. Zwischen den Zahnen 14 sind jeweils Zahnlucken 17 angeordnet. Eine weitere Geberradlu- cke 15, beispielsweise wie hier dargestellt in Form einer dop ^¬ pelt so breiten Zahnlücke 17 eines breiteren oder doppelt so breiten Zahnes 14 oder dergleichen, markiert eine ausgewiesene Nullstellung der Kurbelwelle. An der Geberradscheibe 11 ist ein erster Geber 16 angeordnet, der ein elektrisches Signal lie ^¬ fert, dass in Form z.B. eines Rechtecksignals die Zahne 14 und Zahnlucken 17 bzw. die Geberradlucke 15 repräsentiert. Durch Rotation der Kurbelwelle 4 bzw. der Nockenwelle und damit der Geberscheibe 11 werden jeweils die Zahne 14 sowie die Geberrad ^¬ lucke 15 an dem ersten Geber 16 vorbeigefuhrt . Dadurch wird beispielsweise ein elektrisches Signal in dem ersten Geber 16 ausgelost. Der erste Geber 16 kann ein induktiver Sensor, ein Hall-Sensor, ein kapazitiver Sensor oder dergleichen sein. Al- ternativ kann dieser auch optisch arbeiten, z.B. wenn dieser durch die Zahne 14 bzw. die Markierung 15 hervorgerufene opti ^¬ sche Veränderungen messen kann.

Der erste Geber 16 ist fest an der Brennkraftmaschine 1 ange- ordnet und insofern motorgehausefest . Zusatzlich wird nun ein zweiter Geber 18 karosseriefest angeordnet. Der zweite Geber 18 macht im Gegensatz zu dem ersten Geber 16 Schuttelbewegungen der Brennkraftmaschine nicht mit. Durch einen Vergleich der Signale des ersten Gebers 16 mit dem Signal des zweiten Gebers 18 können daher Relativbewegungen der Brennkraftmaschine gegenüber der Karosserie erfasst werden.

Fig. 4 zeigt ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemaßen Verfahrens. Zunächst werden in Schritt 101 Bewegungen beispielsweise wie zuvor dargestellt anhand der Wege X, Y der Brennkraftma ^¬ schine gegenüber der Karosserie mit entsprechenden Messwertauf- nehmern erfasst. Das zugehörige Frequenzspektrum wird nun in

Schritt 102 einem Bandpassfilter BP zugeführt. Der Bandpass BP filtert die Frequenz der Hauptanregung heraus, die in Schritt 103 auf Amplitudenschwankungen AS und in Schritt 104 auf die Phasenlage PL ausgewertet wird. In Schritt 105 wird schließlich aus den zuvor gewonnenen Daten zu Frequenz, Amplitudenschwankungen und Phasenlage ein abgegebenes Drehmoment M_A der Brenn ^¬ kraftmaschine ermittelt.