DE102004044339A1

DE102004044339A1 - Verfahren zur Korrektur eines gemessenen Zylinderdruckes einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102004044339A1
Application number: DE102004044339A
Authority: DE
Inventors: Uwe Kassner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-09-09
Filing date: 2004-09-09
Publication date: 2006-03-16
Also published as: WO2006027285A1; KR20070057170A; CN101014845B; JP2008512600A; US7543484B2; EP1792154A1; CN101014845A; US20080173070A1

Abstract

Verfahren zur Korrektur eines gemessenen Zylinderdruckes einer Brennkraftmaschine, bei der ein Zylinderdruckaufnehmer (16) über einen Kanal (21) mit einem Brennraum (4) verbunden ist, werden aus Pfeifenschwingungen resultierende Störanteile unterdrückt, indem eine Schwingungsfrequenz einer in dem Kanal (21) hervorgerufenen Gasschwingung während eines Arbeitstaktes bestimmt wird und die Messwerte des Zylinderdruckaufnehmers (16) mittels eines Bandsperrfilters mit der zuvor bestimmten Schwingungsfrequenz gefiltert werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Korrektur eines gemessenen Zylinderdruckes einer Brennkraftmaschine.

Es sind Zylinderdruckaufnehmer bekannt, die möglichst in eine bereits vorhandene Komponente der Brennkraftmaschine integriert sind. Typische Ausführungsformen sind die Integration eines geeigneten Druckwandlers in eine Zündkerze, ein Hochdruckeinspritzventil oder eine Glühkerze. Der Druckwandler ist dabei meist deutlich vom Brennraum entfernt: zum einen ist der vordere Teil der Komponente bereits dem Hauptzweck der Komponente zugeordnet und bietet keinen Bauraum für den Druckwandler, zum anderen sind die Druckwandler häufig mit integrierten elektronischen Schaltungen versehen, die den hohen Temperaturen nahe dem Brennraum nicht ausgesetzt werden können. Der Zylinderdruck wird dann über geeignete Kanäle in der Komponente vom Brennraum zum Druckwandler übertragen.

Probleme des Standes der Technik

Es ist bekannt, dass diese Kanäle zu deutlichen Verfälschungen des Zylinderdrucksignals führen können. Sie wirken als Resonator und sog. Pfeifenschwingungen verfälschen das Signal. 2 zeigt einen Druckverlauf mit überlagerter Pfei fenschwingung. Eine detaillierte Analyse des Zylinderdrucks und die Berechnung geeigneter Merkmale ist somit nicht mehr möglich. Hochwertige Zylinderdruckaufnehmer umgehen diese Verfälschung durch brennraumbündige Unterbringung des Druckwandlers.

Das der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Problem ist es daher, den zeitlichen Druckverlauf auch ohne brennraumbündige Unterbringung des Druckwandlers genauer messen zu können und aus Pfeifenschwingungen resultierende Störanteile zu unterdrücken.

Vorteile der Erfindung

Dieses Problem wird gelöst durch ein Verfahren zur Korrektur eines gemessenen Zylinderdruckes einer Brennkraftmaschine, bei der ein Zylinderdruckaufnehmer über einen Kanal mit einem Brennraum verbunden ist, wobei eine Schwingungsfrequenz einer in dem Kanal hervorgerufenen Gasschwingung während eines Arbeitstaktes bestimmt wird und die Messwerte des Zylinderdruckaufnehmers mittels eines Bandsperrfilters mit der zuvor bestimmten Schwingungsfrequenz gefiltert werden. Die Gasschwingung ist eine so genannte Pfeifenschwingung und äußert sich aus Sicht des Zylinderdruckaufnehmers als Druckschwingung über der Zeit, die dem eigentlichen Druckverlauf in dem Brennraum überlagert ist. Das Bandsperrfilter ist vorzugsweise ein digitales Filter. Die Schwingungsfrequenz ist die Resonanzfrequenz bzw. Eigenfrequenz der Gassäule im Gaskanal vom Brennraum zum Zylinderdruckaufnehmer.

Die Schwingungsfrequenz kann aus einer Gastemperatur in dem Brennraum, die aus gemessenen Druckwerten errechnet wird, bestimmt werden. Die Temperatur des Gases wird aus dem Brennraumdruck mittels eines geeigneten, an sich bekannten Modells errechnet. Alternativ kann die Schwingungsfrequenz durch eine Spektralanalyse des Druckverlaufs in dem Brennraum bestimmt werden. Die Pfeifenschwingung hat eine wesentlich höhere Frequenz als die Grundschwingung des Druckverlaufes, die die Frequenz der Kurbelwellendrehzahl hat. Die Pfeifenschwingung hat eine Frequenz im kHz-Bereich. Da die Grundschwingung aus der Kurbelwellendrehzahl bekannt ist, lassen sich Oberschwingungen (die Pfeifenschwingung) leicht identifizieren.

In einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass in einem ersten Verfahrensschritt der Zylinderdruckverlauf für ein komplettes Arbeitsspiel gemessen und gespeichert wird. Der Druckverlauf liegt dann als Zeitreihe in einem Speicher, z.B. eines speicherprogrammierbaren Steuergerätes vor.

In einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass in einem zweiten Verfahrensschritt die Gastemperatur bestimmt und daraus die Pfeifenschwingungsfrequenz errechnet wird. Die Gastemperatur wird mittels einer Isentropengleichung für ein (ideales oder reales) Gas errechnet.

In einem dritten Verfahrensschritt werden in einer bevorzugten Ausführungsform die Filterkoeffizienten für ein Bandsperr-Filter errechnet. Das Bandsperr-Filter ist als Programm der speicherprogammierbaren Steuerung implementiert, wobei hier insbesondere eine Sperrfrequenz und ein Dämpfungsmaß als Parameter des Filters bestimmt werden.

In einem vierten Verfahrensschritt wird in der bevorzugten Ausführungsform der Zylinderdruckverlauf mit dem Bandsperr-Filter gefiltert. Die Zeitreihe wird dabei dem Filter unterzogen, wobei die gefilterten Werte in die gleichen Speicherzellen zurückgeschrieben werden können.

Das eingangs genannte Problem wird auch durch ein Steuergerät für eine Brennkraftmaschine gelöst, das ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausführen kann.

Zeichnungen
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
1 eine Skizze eines Zylinders einer Brennkraftmaschine;
2 Druckverlauf in einem Brennraum mit überlagerter Pfeifenschwingung.
Eine Brennkraftmaschine 1 gemäß 1 eines Kraftfahrzeuges, das als solches nicht näher dargestellt ist, umfasst einen Kolben 2, der in einem Zylinder 3 hin- und herbewegbar ist. Übliche Brennkraftmaschinen 1 umfassen eine Mehrzahl an Kolben 2 und Zylindern 3. nachfolgend wird nur ein Zylinder dargestellt um die verwendeten Begriffe zu verdeutlichen. In der Regel wird die Brennkraftmaschine 1 mehrere Zylinder umfassen. Der Zylinder 3 umfasst einen Brennraum 4, der unter anderem durch den Kolben 2, ein Einlassventil 5 und ein Auslassventil 6 begrenzt ist. Mit dem Einlassventil 5 ist ein Ansaugrohr 7 und mit dem Auslassventil 6 ist ein Abgasrohr 8 gekoppelt. Im Bereich des Einlassventils 5 und des Auslassventils 6 ragen (bei einem Ottomotor mit Benzindirekteinspritzung) ein Einspritzventil 9 und eine Zündkerze 10 in den Brennraum 4. Bei einem Dieselmotor wird hier nur ein oder mehrere Einspritzventile 9, bei einem Ottomotor nur eine oder mehrere Zündkerzen 10 vorhanden sein. Über das Einspritzventil 9 kann Kraftstoff in den Brennraum 4 eingespritzt werden. Mit der Zündkerze 10 kann der Kraftstoff in dem Brennraum 4 entzündet werden. In dem Ansaugrohr 7 ist eine drehbare Drosselklappe 11 untergebracht, über die dem Ansaugrohr 7 Luft zuführbar ist. Stromauf oder auch stromab der Drosselklappe 11 ist ein Luftmassensensor 15 angeordnet. Die Menge der zugeführten Luft ist abhängig von der Winkelstellung der Drosselklappe 11. In dem Abgasrohr 8 ist bei einem Ottomotor eine Lambda-Sonde 13 zur Messung des λ-Wertes der Kraftstoffverbrennung in dem Brennraum 4 angeordnet. Stromab der Lambda-Sonde 13 ist ein Katalysator 12 untergebracht, der der weiteren chemischen Umsetzung von in den Abgasen enthaltenen Schadstoffen dient.
Der Kolben 2 ist über ein schematisch dargestelltes Pleuel 14 verbunden mit einer hier nicht dargestellten Kurbelwelle des Verbrennungsmotors. Der Kolben 2 wird durch die Verbrennung des Kraftstoff/Luft-Gemisches in dem Brennraum 4 während eines Arbeitstaktes in Bewegung versetzt, diese Bewegung wird mittels des Pleuels 14 und der Kurbelwelle in bekannter Art und Weise in eine Drehbewegung umgesetzt. Ein Steuergerät 18 ist von Eingangssignalen 19 beaufschlagt, die mittels Sensoren gemessene Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine 1 darstellen. Beispielsweise ist das Steuergerät 18 mit dem Luftmassensensor 15, dem Lambdasensor 13, einem Drehzahlmesser, einem Lufttemperatursensor und dergleichen verbunden. Des Weiteren ist das Steuergerät 18 mit einem Fahrpedalsensor verbunden, der ein Signal erzeugt, das die Stellung eines von einem Fahrer betätigbaren Fahrpedals und damit das angeforderte Drehmoment angibt. Das Steuergerät 18 erzeugt Ausgangssignale 20, mit denen über Aktoren bzw. Steller das Verhalten der Brennkraftmaschine 1 beeinflusst werden kann. Beispielsweise ist das Steuergerät 18 mit dem Einspritzventil 9, der Zündkerze 10 und der Drosselklappe 11 und dergleichen verbunden und erzeugt die zu deren Ansteuerung erforderlichen Signale.
Unter anderem ist das Steuergerät 18 dazu vorgesehen, die Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine 1 zu steuern bzw. zu regeln. Beispielsweise wird die von dem Einspritzventil 9 in den Brennraum 4 eingespritzte Kraftstoffmasse von dem Steuergerät 18 insbesondere im Hinblick auf einen geringen Kraftstoffverbrauch und/oder eine geringe Schadstoffentwicklung gesteuert bzw. geregelt. Zu diesem Zweck ist das Steuergerät 18 mit einem Mikroprozessor versehen, der in einem Speichermedium wie z. B. einem Read-Only-Memory (ROM) ein Programm abgespeichert hat, das die zuvor genannten Verfahrensschritte steuert.
An dem Brennraum 4 ist ein Zylinderdruckaufnehmer 16 angeordnet, der mit einer elektrischen Zuleitung 17 mit dem Steuergerät 18 verbunden ist. Zwischen Zylinderdruckaufnehmer 16 und Brennraum 4 ist ein Kanal 21 der Länge l angeordnet. Die Einbaulage des Zylinderdruckaufnehmers 16 ist hier nur schematisch dargestellt, diese kann je nach vorhandenem Bauraum und sonstigen Anforderungen variieren. Der durch den Zylinderdruckaufnehmer 16 bereitgestellte Verlauf des Zylinderdrucks und davon abgeleitete Größen werden als Eingangssignal für verschiedene Steuerungsfunktionen verwendet. Ausgangssignale der Steuerung sind z.B. Ansteuersignale für die Kraftstoffzumessung und die Steuerung der Zündung des Gemischs. Der Zylinderdruckaufnehmer 16 liefert ein Signal gemäß 2, dem eigentlichen Druckverlauf sind Pfeifenschwingungen durch den Kanal 21 überlagert. Dargestellt in 2 ist der Brennraumdruck P_Zin Pascal über den Kurbelwellenwinkel KW in Grad; über die Drehzahl kann KW in eine Zeitreihe umgerechnet werden.
Das Verfahren geht von einer Modellierung der Pfeifenschwingung aus, sodass eine geeignete Filterung des gemessenen Zylinderdruckverlaufs erfolgen kann, bevor die eigentlichen thermodynamischen Merkmale aus dem Zylinderdruck berechnet werden. Grundgedanke ist, die singuläre Frequenz der Pfeifenschwingung mit einem Filter, das diese Frequenz sperrt (sog. Bandsperr-Charakteristik) zu unterdrücken. Mit einem numerischen Verfahren, einem digitalen Filter, ist das für den gemessenen Druckverlauf nach der kompletten Erfassung des Arbeitsspiels möglich.
Eine Ausführung ist die Speicherung der einmal ermittelten Filterkoeffizienten in der Steuerung für die verschiedenen Frequenzen der Pfeifenschwingung oder aber die Berechnung der jeweiligen Koeffizienten in Abhängigkeit vom Betriebspunkt der Brennkraftmaschine.
Aus der Literatur ist der Zusammenhang zwischen der Frequenz der angeregten Pfeifenschwingung f und der Schallgeschwindigkeit c bekannt. c wird bestimmt aus der Länge l des Kanals 21 zwischen Brennraum 4 und Zylinderdruckaufnehmer 16 sowie der Gastemperatur T, der Gaskonstanten R und dem Isentropenexponenten χ: f = c/(4·l)mit c = √χ·R·T
Das heißt, für die Betriebspunkte der Brennkraftmaschine (z.B. beschrieben durch Drehzahl, Last, Kraftstoff/Luft-Verhältnis) kann die Frequenz f bestimmt werden. Wichtigster variabler Parameter ist dabei die Gastemperatur T. Diese kann während der Kalibrierung der Steuerung einmal ermittelt und in Kennfeldern gespeichert werden. Eine weitere Möglichkeit ist die Berechnung über ein geeignetes thermodynamisches Modell.
Weiterhin ist eine mögliche Ausführung die spektrale Analyse des Zylinderdrucksignals. Die Pfeifenschwingung kann damit in ihrer Frequenz abhängig vom Betriebspunkt bestimmt werden. Die spektrale Analyse kann offline während der Kalibrierung für verschiedene Betriebspunkte der Brennkraftmaschine oder online für jeden Arbeitszyklus erfolgen. Dann kann wieder das geeignete Filter ausgewählt werden, um diese Frequenz ausreichend zu unterdrücken.
Ein besonderer Vorteil der zunächst kompletten Speicherung eines Arbeitsspiels ist die Möglichkeit, durch zweimaliges Durchlaufen des Filters die unerwünschte Phasenverschiebung des Zylinderdrucksignals zu kompensieren (Nullphasen-Filterung). Die wichtigen Zusammenhänge zwischen Kurbelwinkel und Zylinderdruckverlauf werden somit nicht verfälscht.
Zusammengefasst ist der Ablauf des Korrekturverfahrens nachfolgend beschrieben:

– Abtastung des Zylinderdruckverlaufs für ein komplettes Arbeitspiel mit ausreichender Abtastfrequenz und Speicherung des Signals
– Bestimmung der Gastemperatur und Berechnung der Pfeifenschwingungsfrequenz
– Bestimmung der Filterkoeffizienten für ein Bandsperr-Filter
– Filterung des Zylinderdruckverlaufs

Für Motorsteuerungssysteme kann mit diesem Verfahren der grundsätzliche Nachteil der brennraumfernen Anordnung des Zylinderdruckwandlers wirkungsvoll kompensiert werden. Die Vorteile der Anordnung, nämlich günstige Platzierung in einer Komponente und geringe thermische Belastung des Druckwandlers, bleiben erhalten.

Claims

Verfahren zur Korrektur eines gemessenen Zylinderdruckes einer Brennkraftmaschine, bei der ein Zylinderdruckaufnehmer (16) über einen Kanal (21) mit einem Brennraum (4) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schwingungsfrequenz einer in dem Kanal (21) hervorgerufenen Gasschwingung während eines Arbeitstaktes bestimmt wird und die Messwerte des Zylinderdruckaufnehmers (16) mittels eines Bandsperrfilters mit der zuvor bestimmten Schwingungsfrequenz gefiltert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungsfrequenz aus einer Gastemperatur in dem Brennraum (4), die aus gemessenen Druckwerten errechnet wird, bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungsfrequenz durch eine Spektralanalyse des Druckverlaufs in dem Brennraum bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Verfahrensschritt der Zylinderdruckverlauf für ein komplettes Arbeitsspiel gemessen und gespeichert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Verfahrensschritt die Gastemperatur bestimmt und daraus die Pfeifenschwingungsfrequenz errechnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem dritten Verfahrensschritt die Filterkoeffizienten für ein Bandsperr-Filter errechnet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem vierten Verfahrensschritt der Zylinderdruckverlauf mit dem Bandsperr-Filter gefiltert wird.
Steuergerät für eine Brennkraftmaschine, das ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausführen kann.