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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Totpunktes eines
Kolbens einer Verbrennungskraftmaschine mit den im Oberbegriff des Patentanspruches
1 genannten Merkmalen.
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In
modernen Motorkonzepten sollen hohe Leistungen bei gleichzeitig
minimalen Schadstoffwerten und minimalem Verbrauch dargestellt werden. Eine
hinsichtlich dieser Anforderungen optimierte Zumessung benötigt eine
sehr genaue Kenntnis der aktuellen Motorposition, die deshalb mittels
Sensoren ständig
erfasst wird. Die jeweiligen physikalischen oberen Totpunkte (OT)
werden auf feste Positionen im Winkelsystem gelegt. Das Winkelsystem
wird im Normalfall durch die Kurbelwelle (KW) definiert. Dabei wird
eine Kurbelwellenumdrehung durch z. B. 60 Inkremente (Zähne) aufgelöst, wobei
die zeitlichen Positionen der (typischerweise fallenden) Flanken zur
Berechnung der Motorposition und Drehzahl verwendet werden. Der
Nullpunkt des Winkelsystems im Steuergerät wird typischerweise applikativ
auf den ersten OT gelegt, wodurch eine Beziehung von der Kurbelwellenposition
zur physikalischen Motorposition festgelegt wird. Aufgrund unvermeidlicher
Einbau- und Sensortoleranzen, z. B. durch einen leicht verdrehten
Einbau des Gebenades auf der KW, wird die applizierte OT-Position
nicht exakt mit der physikalischen OT-Position übereinstimmen. Da diese Effekte motorspezifisch
und statistisch sind, liegt in der Serie eine Schwankung um den
wahren physikalischen Nullpunkt vor. Da dieser Winkelfehler den
Winkelnullpunkt bzw. den Referenz-OT betrifft, sind alle im Motorsteuergerät berechneten
Winkel gegenüber
der wahren Position nach früh
bzw. spät
verschoben.
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Aus
der
DE 43 39 957 A1 ist
ein Verfahren zur Kalibrierung einer Einrichtung zur Steuerung einer
Brennkraftmaschine vorbekannt, mit dem die bei der mechanischen
Montage auftretende Abweichung zwischen dem markierten oberen Totpunkt
und dem tatsächlichen
oberen Totpunkt minimiert wird. Dabei ist die Kurbelwelle des Motors
mit einem Inkrementrad versehen, mit dem der Kurbelwellenwinkel
der Hubkolbenstellung im Zylinder zugeordnet werden kann. Durch
Auftragen der momentanen Drehzahl über den Kurbelwellenwinkel
kann der obere Totpunkt des Kolbens im Zylinder anhand der ermittelten minimalen
Drehzahl bestimmt werden. Um die Abwei chung zwischen der Lage des
Referenzimpulses und der bevorzugten Stellung zu ermitteln, wird
die Pumpenantriebswelle gegenüber
der Kurbelwelle so lange verschoben, bis die Impulse des Inkrementrades
symmetrisch zum oberen Totpunkt auftreten. Diese Stellung wird erkannt,
wenn der zeitliche Abstand der beiden Impulse ein Maximum aufweist.
Die Abweichung zwischen Referenzimpuls und des so ermittelten oberen
Totpunktes wird als Korrekturgröße im Motorsteuergerät abgespeichert
und im laufenden Betrieb bei der Berechnung der Ansteuersignale berücksichtigt.
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Mit
dieser Lösung
werden lediglich Toleranzen ausgeglichen, die aufgrund der unvermeidlichen auftretenden
Einbautoleranzen des Inkrementrades zurückzuführen sind. Die Bestimmung des
oberen Totpunktes im laufenden Betrieb des Verbrennungsmotors zur
Einstellung einer optimalen Verbrennung im Brennraum der Verbrennungsmaschine
erfolgt mit dieser Lösung
nicht.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ermittlung
des Totpunktes eines Kolbens einer Verbrennungskraftmaschine zu
schaffen, mit dem auftretende Abweichungen zwischen dem nahezu wahren
Totpunkt und einer applizierten Sollposition zylinderselektiv ermittelt
werden.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
dient zur quantitativen Bestimmung der Abweichung des oberen und/oder
des unteren Totpunktes des Kolbens von der applizierten Sollposition
bei Verbrennungsmotoren. Dabei erfolgt die Bestimmung dieser Abweichung
direkt aus dem Drehzahlgebersensorsignal, wofür typischerweise das hochaufgelöste Kurbelwellendrehzahlsignal
benutzt wird. Die aus dem Sensorsignal bestimmte Winkel-Zeit-Information,
z. B. die Inkrementperiodendauern (zeitlicher Zahn-Zahn-Abstand)
oder die Momentandrehzahl, zeigen ein durch die oszillierenden Gas-
und Massenkräfte
charakteristisches Muster, aus dem auf die tatsächliche Totpunkt-Position geschlossen
werden kann. Die gemessene Winkel-Zeit Beziehung um den Totpunkt
wird an ein Modell angepasst, das als einen der freien Parameter
die Totpunkt-Position des jeweiligen Zylinders besitzt. Das zu verwendende
Modell kann vom aktuellen Betriebspunkt abhängen und sowohl physikalischer
als auch heuristischer Natur sein. Das Verfahren wird abhängig vom
Modellansatz für
alle Zylinder simultan bzw. einzeln durchgeführt und liefert als Ergebnis
eine zylinderselektive Annäherung
der wahren Totpunkt-Position. Insbesondere die OT-Position kann
vom Motorsteuergerät,
z. B. zur Korrektur und Optimierung der Zumessung, verwendet werden.
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Der
Vorteil der erfinderischen Lösung
besteht darin, dass mit verhältnismäßig einfachen
Mitteln und mit einem geringen Aufwand der nahezu tatsächliche
Totpunkt des Kolbens einer Verbrennungskraftmaschine auch bei unterschiedlichen
Betriebsbedingungen des Motors bestimmt werden kann. Mit der Lösung können sowohl
Verschiebungen des Totpunktes infolge von auftretenden Einbautoleranzen als
auch durch unterschiedliche Betriebszustände des Motors sowie die während des
Motorbetriebes auftretenden Verschiebungen des Totpunktes ermittelt
werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das Verfahren für alle Zylinder
der Verbrennungskraftmaschine simultan oder einzeln durchgeführt werden
kann und das Ergebnis eine zylinderselektive Ermittlung des Totpunktes
ist.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben,
sie werden in der Beschreibung zusammen mit ihren Wirkungen erläutert.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher beschrieben.
In der dazugehörigen
Zeichnung ist die Folge der Inkrementperiodendauern in Abhängigkeit
des Kurbelwellenwinkels bzw. der Inkremente um den oberen Totpunkt
im Schubbetrieb dargestellt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Ermittlung des Totpunktes eines Kolbens einer Verbrennungskraftmaschine
ist für
alle Arten von Brennkraftmaschinen einsetzbar, wobei erfindungsgemäß sowohl
der obere als auch der untere Totpunkt des Kolbens ermittelt werden
kann. Nachfolgend wird in dem Ausführungsbeispiel die Ermittlung
des oberen Totpunktes beschrieben. Die Ermittlung des unteren Totpunktes
erfolgt analog zu der Ermittlung des oberen Totpunktes.
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Die
Brennkraftmaschine ist in bekannter Weise mit einem Steuergerät verbunden,
dem über Sensoren
die aktuellen Betriebsdaten zugeführt werden, mittels denen ei ne
Einstellung und Regelung der einzelnen Betriebsparameter der Brennkraftmaschine
erfolgt. Dem Steuergerät
wird über
entsprechende Sensoren die Inkrementperiodendauer der Kurbelwelle übermittelt,
die eine Winkel-Zeit-Information der Motorposition bzw. den Winkel-Momentandrehzahlverlauf
darstellen.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird
vorrausgesetzt, dass das Drehzahlsignal ohne Zeitverzögerung bzw.
Phasenverschiebung zur Verfügung
steht. Da das Drehzahlsignal die OT-Referenz darstellt, können durch
solche Effekte entstandene Verschiebungen in der OT-Position nicht
adaptiert und korrigiert werden. Dies stellt keine Einschränkung dar,
da dieser Fall durch eine feste vorgeschaltete Kennlinie für einen
gegebenen Motortyp auf den oberen abgebildet werden kann. Diese
Kennlinie wird einmalig für
den jeweiligen Motortyp bestimmt. Dies kann z. B. am Prüfstand oder
durch vorliegende Daten des Motors und der betroffenen Sensoren
durchgeführt
werden. Des weiteren wird angenommen, dass aus dem Sensorrohsignal
schon die Inkrementperiodendauern bestimmt wurden und zur Verfügung stehen.
Dies wird im Allgemeinen von der Drehzahlauswertung im Steuergerät durchgeführt und
wird hier daher nicht mehr gesondert betrachtet.
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Nachfolgend
wird die Ermittlung des oberen Totpunktes des Kolbens einer Verbrennungskraftmaschine
beim Schubbetrieb des Motors beschrieben. Zur Berechnung der OT-Positionen
wird das im Steuergerät
vorliegende Signal der Inkrementperiodendauern TInk zu
festen Winkelzeitpunkten benutzt. Die Inkremente haben bei einem
gebräuchlichen
60-Zähnegeberrad
einen festen Abstand von ΔΦ = 6°KW, so dass
aus diesem Signal auch die Momentandrehzahl nAkt = 60/(360/ΔΦ TInk)
= ΔΦ /(6TInk) [U/min]berechnet werden kann. Die
Momentandrehzahl und damit auch die Inkrementperiodendauern TInk variieren aufgrund von Gas-, Massenkräften und
der Verbrennung periodisch mit der Zündfrequenz. Im oberen Totpunkt
ist die Momentandrehzahl am kleinsten, so dass dort die Inkrementperiodendauern
maximal sind. Dieser Zusammenhang ist in 1 dargestellt, wobei
TInk die Inkrementperiodendauern, ΦKW den Kurbelwellenwinkel und x die Inkremente
darstellen.
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Das
Inkrementsignal ist im befeuerten Betrieb aufgrund der Verbrennung
nicht mehr symmetrisch zum oberen Totpunkt, wodurch für die OT-Bestimmung
ein komplexe res Modell nötig
wird. Erfindungsgemäß ist zur
Ermittlung des oberen Totpunktes bei einem Schubbetrieb des Motors
ein einfaches heuristisches Modell ausreichend. Für andere
Betriebspunkte kann das Verfahren analog mit einem anderen, dem
Betriebspunkt angepassten, Modell durchgeführt werden.
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Im
Schubbetrieb liegt in guter Näherung
ein symmetrisches Inkrementsignal um den oberen Totpunkt vor. Der
Folge der Inkrementperiodendauern TInk ist
im Schub noch eine annähernd
lineare Drehzahldynamik überlagert,
die aber leicht kompensiert werden kann, indem eine Gerade durch
die Punkte gelegt wird und anschließend von den Messwerten abgezogen
wird. Im Folgenden wird davon ausgegangen, dass TInk von
der linearen Drehzahldynamik befreit wurde.
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Gegeben
ist nun eine Folge von Winkel-Zeit-Paaren (Φ i / Ink,T i / Ink) mit konstantem Winkelabstand ΔΦ, d. h. Φi+1 = Φi + ΔΦ. Es werden
NFit = N v / Fit + N n / Fit + 1 Inkrementperiodendauern
zur oberen Totpunktbestimmung verwendet, wobei jeweils N v / Fit Inkrementperiodendauern
vor und N n / Fit nach dem OT-Inkrement benutzt werden.
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Nun
liegt die Folge (ΦiInk , TiInk ),i = –NvFit , ..., –1,0,1, ..., NnFit zur oberen
Totpunktbestimmung vor.
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Im
Schubbetrieb kann der ΦKw, TInk-Verlauf
in der Umgebung vom oberen Totpunkt gut durch ein Polynom approximiert
werden. Das Maximum des Polynoms ist die gesuchte Schätzung des
wahren oberen Totpunktes. Die gesuchte Schätzung des wahren unteren Totpunktes
entspräche
somit dem Minimum des Polynoms. In diesem Ausführungsbeispiel wird als Modellansatz
ein Polynom zweiter Ordnung TInk(i)
= b0 + b1ΦKW + b2Φ2KW verwendet.
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Dieser
Ansatz ist auch zutreffend bei einer nur symmetrischen (nicht notwendigerweise
quadratischen) TInk-Folge um den oberen
Totpunkt. Je weiter die Punkte um den oberen Totpunkt liegen, desto schlechter
wird zwar die quadratische Näherung
global sein, aber die lokale Position Φ wahr / OT des Maximums wird dadurch
nicht beein trächtigt.
Nur die Schätzung von
TInk im Maximum wird durch diesen Effekt
etwas schlechter, aber der hier interessierende zugehörige OT-Winkel
bleibt dadurch unverändert.
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Das
Maximum der Parabel zur Bestimmung des oberen Totpunktes liegt bei ΦOT = –b1/(2b2)
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Die
Koeffizienten bi können mit jedem beliebigen Parameteroptimierungsalgorithmus,
z. B. mit der Methode der kleinsten Quadrate, leicht bestimmt werden.
Zur Bestimmung der bi sind mindestens drei Punkte
notwendig, wobei die so bestimmte OT-Position dann aber empfindlich auf Inkrementfehler
und andere Störungen
reagiert. Je mehr Messpunkte zur Verfügung stehen, desto robuster
wird die Schätzung der
Koeffizienten bi. Aus diesem Grund wird
ein möglichst
großes
Intervall T i / Ink,i = –N v / Fit,
..., –1,0,1,
...,N n / Fit zur oberen Totpunktbestimmung verwendet. Die maximale Anzahl
der Messpunkte, die zur Parameterbestimmung zur Verfügung stehen,
hängt von
der Auflösung
eines Lastspiels durch die Inkrementperiodendauern und damit von
der Zylinderzahl und der Anzahl der erfassten Zähne des Geberrades ab.
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Die
erfindungsgemäße Ermittlung
des oberen Totpunktes wird dann analog bei den anderen Zylindern
durchgeführt,
so dass am Ende die genauen OT-Positionen Φ Wahr / OT aller Zylinder vorliegen.
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Zur
weiteren Steigerung der Genauigkeit können die nach obigem Algorithmus
bestimmten obere Totpunkte zusätzlich
noch über
mehrere obere Totpunktbestimmungen gemittelt werden, wodurch statistische
Unsicherheiten bzw. Messungenauigkeiten weiter reduziert werden.
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Falls
eine Lücke
im Fitbereich –N v / Fit,
..., –1,0,1,
..., N n / Fit liegt, steht die entsprechende Inkrementperiodendauer dem
Fit nicht zur Verfügung.
In diesem Fall muss entweder die fehlende Inkrementperiodendauer
durch Ersatzwerte interpoliert werden oder es muss die Parameterbestimmung
ohne die fehlende Inkrementperiodendauer im Lückenbereich durchgeführt werden.
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Die
Schwingung der Inkrementperiodendauern um den Motor-OT ist strenggenommen
nicht perfekt symmetrisch, da Effekte wie z. B. Wärme- und Reibverluste
die Symmetrie brechen. Da sich diese Effekte über alle baugleichen Motoren
näherungsweise
gleich auswirken, wird sich ein möglicherweise vorhandener Schätzfehler
als konstanter Offset auswirken, der wiederum einmalig, z. B. am
Motorprüfstand,
bestimmt werden kann. Alternativ zu einem Kennwert bzw. einer Kennlinie
können
diese Effekte natürlich
auch beim Modellansatz berücksichtigt
werden.
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Die
so bestimmten oberen Totpunkte und die daraus korrigierten OT-Winkel
werden im Steuergerät
des Fahrzeuges abgelegt und können
an mehreren Stellen zur Korrektur der Zumessung eingebracht werden.
Dabei werden alle Korrekturwinkel zu einem einzelnen mittleren Korrekturwinkel
für den
Winkelnullpunkt zusammengefasst. Mit diesem Korrekturwinkel kann
nun der Winkelnullpunkt korrigiert werden. Alternativ werden alle
bestimmten OT-Winkel im Steuergerät zur zylinderselektiven Korrektur
der applizierten OT-Positionen benutzt.
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Eine
weitere Möglichkeit
besteht in der Kombination beider Strategien. Dabei wird der Mittelwert zur
Korrektur vom Winkelnullpunkt und die Abweichungen vom Mittelwert
zur Korrektur der Einzelpositionen verwendet.
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Je
höher die
Zylinderanzahl ist, desto geringer wird die Inkrementauflösung bei
konstanter Inkrementanzahl des Geberrades für ein Lastspiel, so dass dann
immer weniger Inkrementperiodendauern für den OT-Fit zur Verfügung stehen.
Dadurch wird die Schätzung
des physikalisch richtigen Wertes des oberen Totpunktes immer empfindlicher
gegen Störungen.
Bis hinunter zu Werten NFit ≥ 5 sollte
die Schätzung
aber hinreichend genau bleiben. Die Qualität der ermittelten oberen Totpunkte
kann dann durch eine längere
Mittelung, z. B. durch eine größere Filterdauer
beim oben eingeführten
PT1-Filter, wieder kompensiert werden.
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- TInk
- Inkrementperiodendauern
- NAkt
- Momentandrehzahl
- ΔΦ
- Drehwinkelabstand
- OT
- oberer
Totpunkt
- b
- Konstanten
- NFit
- Inkrementperiodendauern
- KW
- Kurbelwelle
- n
- Drehzahl