Central crankshaft angle measurement unit for internal combustion engines

Abstract

Die Kurbelwinkeldaten eines Hubkolben-Verbrennungsmotors stellen wichtige Eingangsparameter für Steuerungs- und Regelungsfunktionen dar. Dies ist bedingt durch den hohen Informationsgehalt des Kurbelwinkels, der auch die Position aller Kolben in den Zylindern abdeckt. Die Berechnung des Kurbelwinkels aus Messsignalen von Sensoren am Motor wird dabei in aktuellen Architekturen in jedem Gerät ausgeführt, das den aktuellen Kurbelwinkel als Eingangsparameter benötigt. In dieser Diplomarbeit wird das innovative Konzept einer zentralen Kurbelwinkelerfassung vorgestellt, bei dem die Berechnung des Kurbelwinkels und der Motordrehzahl nur in dieser zentralen Messeinheit durchgeführt wird. Die Ergebnisse der Berechnungen müssen bei diesem Ansatz von der zentralen Messeinheit an alle Geräte verteilt werden, die eine Weiterverarbeitung der Kurbelwinkeldaten ausführen. Die Genauigkeit der verteilten Daten muss dabei den Anforderungen des Auftraggebers dieses Projektes genügen. In dieser Arbeit wird die Verteilung der Daten in einem Industrial Ethernet Netzwerk vorgestellt, wobei auf die Gründe für die Tauglichkeit von Ethernet Powerlink für diese Aufgabe speziell eingegangen wird. Die Diplomarbeit umfasst weiters eine Diskussion der Anforderungen an eine Implementierung der zentralen Messeinheit, wobei die Tauglichkeit einer FPGA-basierten Plattform aufgezeigt wird. Durch eine Analyse einer exemplarischen Implementierung, die die Genauigkeitsanforderungen des Auftraggebers erfüllt, wird die Realisierbarkeit der zentralen Kurbelwinkelerfassung in dieser Arbeit demonstriert. Zuletzt werden Ansätze zur weiteren Verbesserung der Genauigkeit und die dazu nötigen Änderungen der Plattform für die Implementierung abgehandelt.

Since the piston in each cylinder of reciprocating internal combustion engines is connected to the crankshaft by a connecting rod, the current rotational crankshaft angle position also contains the information of the current position of each piston. Hence the crankshaft angle and the derived rotational speed is a meaningful input information for engine controller functions. The utilization of this data in dierent independent engine controller devices demands the execution of an engine sensor signal processing in each device. In this work, the approach of a central crankshaft angle measurement unit is followed. This approach is based on the distribution of the engine sensor signal processing results from one measurement unit to a network of engine controller devices. This measurement unit implements the calculation of the current crankshaft angle and rotational speed, with consideration of accuracy constraints given by the commissioning external company. Ethernet Powerlink is discussed and presented as a suitable real-time Industrial Ethernet system for the distribution of the crankshaft angle data. The advantages of FPGA implementation platforms are discussed with regard to the requirements on the measurement unit. An implementation on a FPGA platform is presented and evaluated, with a particular focus on the achievable accuracy of the transmitted crankshaft angle data. The implementation which is presented in this work complies to the requirements of the commissioning external company. Optimization strategies are discussed to draw conclusions on further adaptions of the implementation platform. Thus, this diploma thesis demonstrates the advantages and challenges of Ethernet Powerlink as a deterministic real-time protocol for a time-critical industrial application.