DE102004046082A1

DE102004046082A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102004046082A1
Application number: DE102004046082A
Authority: DE
Inventors: Matthias Schueler; Michael Kessler; Nicole Kositza; Axel Loeffler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-09-23
Filing date: 2004-09-23
Publication date: 2006-03-30
Also published as: ITMI20051761A1; US20060173606A1; FR2875547A1; FR2875547B1; US7203590B2

Abstract

Es werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine beschrieben, bei dem, ausgehend von einem Signal, das die Vibrationen einer Brennkraftmaschine charakteristiert, wenigstens ein Merkmal gewonnen wird, das zur Regelung und/oder Steuerung von Betriebskenngrößen der Brennkraftmaschine verwendet wird. Zur Bildung des Merkmals wird das Signal eines Sensors gefiltert. Die Filterung selektiert niederfrequente Anteile des Signals.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.

Aus der DE 103 05 656 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem ausgehend von dem Signal eines Körperschallsensors Merkmale gewonnen werden, die zur Regelung und/oder Steuerung von Betriebskenngrößen der Brennkraftmaschine verwendet werden. Zur Bildung der Merkmale wird das Signal eines Sensors gefiltert.

Vorteile der Erfindung

Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass das Körperschallsignal in unterschiedlichen Frequenzbereichen unterschiedliche Informationen beinhaltet. So treten beispielsweise Schwingungsresonanzen mit bestimmten Frequenzen auf. Diese werden beispielsweise bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen zur sogenannten Klopfregelung verwendet. Des weiteren treten Geräusche im Frequenzbereich zwischen zwei 2 KHz und 16 KHz auf. Diese hochfrequenten Anteile beruhen im wesentlichen auf dem Geräusch, dass durch die Verbrennung verursacht wird. D. h. dieses Signal spiegelt das Explosionsgeräusch der Verbrennung wieder. Ferner treten niederfrequente Schwingungen im Bereich von 0 bis 2 KHz auf, die im wesentlichen auf Verspannungen im Motorblock beruhen. Diese werden im folgenden als Vibrationen bezeichnet.

Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass ausgehend von den Vibrationen wenigstens ein Merkmal gewonnen wird, dass zur Steuerung und Regelung der Brennkraftmaschine verwendet wird. Bei neueren Systemen werden teilhomogene und/oder homogene Brennverfahren eingesetzt, die durch eine hohe Abgasrückführrate in Kombination mit einer gegenüber der konventionellen Verbrennung modifizierten Einspritzung zur Erzielung eines großen Zündverzugs charakterisiert sind. Dieses Brennverfahren wird in Teilbereichen des motorischen Betriebskennfeldes als eine Betriebsart neben dem konventionellen, inhomogenen Brennverfahren eingesetzt, um niedrige Rohemissionen von Stickstoff und Partikel zu erzielen.

Diese homogenen Brennverfahren zeigen jedoch eine hohe Empfindlichkeit, insbesondere gegenüber Toleranzen bei der Zylinderfüllung, die durch die Luftmasse und das Luftkraftstoffverhältnis bestimmt sind, so dass die Vorteile der homogenen Verbrennung im gesteuerten Betrieb nicht vollständig oder gar nicht genutzt werden können. Vorteilhaft ist es nun, wenn hier geeignete Merkmale erfasst und diese auf bestimmte Werte eingeregelt werden. Ein wesentliches Merkmal charakterisiert dabei die Lage der Verbrennung, z. B. als Brennbeginnwinkel oder Winkel eines bestimmten prozentualen Energieumsatzes.

Die Auswirkungen von Toleranzen in der Zylinderfüllung auf die Verbrennung im teilhomogenen bzw. im homogenen Betrieb einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine können durch einen Körperschallsensor erkannt und über zylinderindividuelle Eingriffe auf die Einspritzung ausgeglichen und somit kostengünstig gemildert werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn ausgehend von dem niederfrequenten Körperschallsensor Merkmale abgeleitet werden und diese auf vorgegebene Sollwerte eingeregelt werden. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass ausgehend von einem niederfrequenten Körperschallsignal abgeleitete Merkmale besonders gut die Verbrennung charakterisieren. Dadurch ergeben sich erhebliche Verbesserungen der Regelung der Brennkraftmaschine. Als Merkmal wird bevorzugt ein signifikanter Punkt im niederfrequenten Körperschallsignal verwendet.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn als Merkmal der Winkel eines signifikanten Punktes im niederfrequenten Körperschallsignal verwendet wird. Beispielsweise kann die Winkellage eines Wendepunktes zwischen einem lokalen Minimum und einem lokalen Maximum, eines lokalen Minimums, eines lokalen Maximums und/oder anderer Größen verwendet werden.

Die Winkellage dieser Punkte, insbesondere des Wendepunktes, stehen über einen festen Offset im direkten Zusammenhang mit charakteristischen Umsatzpunkten der Verbrennung, wie beispielsweise dem Brennbeginn. Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird die Größe der Verschiebung zylinderindividuell erfasst.

Das Merkmal, insbesondere die Winkellage des signifikanten Punktes, wird als Sollwert vorgegeben und mit dem ermittelten Merkmal verglichen. Ausgehend von dem Vergleich gibt eine Regelung eine Stellgröße derart vor, dass sich der Istwert dem Sollwert annähert. Der charakteristische Umsatzpunkt im Druckverlauf und die Winkellage des signifikanten Punktes im Körperschallsignal sind zwar nicht gleich, aber dessen Regelung zeigt ähnlich positive Ergebnisse bezüglich der Stabilisierung des Verbrennungsprozesses und der Toleranzeinengung in Bezug auf Emissionen, Moment, Verbrauch usw.

Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn zur Erfassung der Vibrationen andere Sensoren, wie beispielsweise Dehnungsmessstreifen, und/oder Biegesensoren, verwendet werden. Als alternative Sensoren sind alle Sensoren geeignet, die die Dehnung des Motorblocks bzw. des Zylinderkopfes erfassen.

Zeichnungen
Die 1 zeigt ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Vorgehensweise, 2 zeigt ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens und in 3 sind verschiedene Größen über der Winkelstellung der Kurbelwelle aufgetragen.
In 1 ist eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Das Ausgangssignal des Sensors 100 gelangt über ein Filter 110 zu einem Auswerteblock 130, dessen Aufgabe die Ermittlung des aus der Verbrennung resultierenden Maximums und des zwischen Kompressionsmaximum und Verbrennungsmaximum liegenden Minimums ist. Die dazwischenliegenden Signalwerte gehen zu einer Wendepunktermittlung 140, die wiederum eine Steuerung 150 mit einem entsprechenden Merkmal beaufschlagt.
Das Filter 110 filtert das Ausgangssignal des Sensors 100 derart, dass Signalanteile mit niederer Frequenz selektiert werden. Dies bedeutet, bei dem Filter 110 handelt es sich bevorzugt um einen Tiefpass, der Signalanteile mit Frequenzen kleiner als ca. 1-2 Kilohertz weitergibt. Der Auswerteblock 130 ermittelt die Winkelstellung, bei der ein Minimalwert des Signals und bei denen ein Maximalwert des Signals auftritt.
Ein beispielhafter Signalverlauf ist in 3a dargestellt. Es ist die Amplitude des gefilterten Signals, das heißt das Ausgangssignal KS des Betragsbildners 120 über der Winkelstellung der Kurbelwelle aufgetragen. Das Körperschallsignal steigt an und erreicht im Bereich von 180 bis 190° ein erstes Maximum. Anschließend fällt das Signal ab und steigt im Bereich von 200 bis 210° Kurbelwellenwinkel wieder auf ein lokales Maximum an. Danach fällt es auf sein Ausgangswert ab.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass die Winkellage des zweiten Maximums, die dem Verbrennungsmaximum entspricht, bzw. die Winkellage des Minimums zwischen den beiden Maximas die Verbrennung charakterisiert, d. h. es ist vorteilhaft, wenn eine dieser Größen auf einen vorgegebenen Sollwert eingeregelt wird. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Wendepunkt zwischen dem Minimum und dem zweiten Maximum in der Wendepunktermittlung 140 ermittelt und die entsprechende Winkelstellung der Kurbelwelle als Merkmal der Steuerung 150 zugeleitet wird.
In 2 ist der entsprechende Ablauf der Berechnung als Flussdiagramm dargestellt. In einem ersten Schritt 200 wird ausgehend von dem gefilterten Signal KS, das der Signalamplitude des Signals entspricht, das Minimum und im Schritt 210 das Maximum ermittelt. Anschließend wird im Schritt 220 der Wendepunkt ermittelt. Die Abfrage 230 überprüft, ob in dem auszuwertenden Winkelbereich das für die Regelung ausgewählte Merkmal M berechnet werden konnte. Die Winkellage des Merkmals M charakterisiert die Lage der Verbrennung und wird in 250 für die Regelung der Verbrennungslage verwendet. Ist dies nicht der Fall, so endet das Programm in Schritt 240.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Signal lediglich im Bereich zwischen ca. 180 bis 210° ausgewertet wird. In diesem Winkelbereich tritt üblicher Weise die Verbrennung auf. Als Merkmal der Verbrennung wird vorzugsweise die Winkelstellung der Kurbelwelle verwendet, bei der das entsprechend gefilterte Körperschallsignal einen Wendepunkt, ein Minimum oder ein Maximum aufweist.
Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass die Winkelstellung als Merkmal verwendet wird, bei dem eine aus den Größen Minimum, Maximum und/oder Wendepunkt abgeleitete Größe erreicht wird. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Winkelstellung verwendet wird, bei dem der Mittelwert aus Minimum und Maximum erreicht wird bzw. wenn der halbe Wert des Maximums erreicht wird. Ferner ist vorteilhaft, wenn ein beliebiger prozentualer Mittelwert zwischen Minimum und Maximum erreicht wird.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung zur Ermittlung der Winkellage des Maximums wird im Folgenden beschrieben. In einem ersten Verfahrensschritt wird aus dem Verlauf des Signals KS ein zylinderindividuelles Referenzsignal R erzeugt. Dieses Referenzsignal ist von Luftmassenänderungen unabhängig. Das Referenzsignal wird dadurch erzeugt, dass das Signal ab einem vorgegebenen Anfangswert des Kurbelwellenwinkels, in dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind diese 140°, bis zu einem bestimmten Endwert des Kurbelwellenwinkels, in diesem Fall sind es ca. 180°, an einer zugehörigen Achse gespiegelt wird. Die Achse ist in 3a als senkrechte Linie eingezeichnet. Das Referenzsignal R ist als gestrichelte Linie eingezeichnet.
Die Achse, an der gespiegelt wird liegt bei dem Endwert. Der Endwert, an dem gespiegelt wird, ergibt sich aus der Winkellage des ersten Maximalwert des Körperschallsignals KS. Vorteilhafter Weise wird die Winkellage des Maximums um einen vorgegebenen Offsetwinkel vermindert. Ausgehend von dem Körperschallsignal KS und diesem Referenzsignal R ergibt sich ein relatives Körperschallsignal KSR. Hierzu wird das jeweiligen Körperschallsignal durch das jeweilige Referenzsignal des jeweiligen Kurbelwellenwinkels w dividiert. Das relative Körperschallsignal KSR ergibt sich somit gemäß der folgenden Formel: KSR(w) = KS(w)/R(w)
Dies bedeutet ausgehend von dem gefilterten Signal ein relatives Signal durch eine Vergleich mit dem Referenzsignal R gebildet wird.
Dadurch ergibt sich ein deutlich verbesserter Signalverlauf, insbesondere für kleine Luftmengen und flachen Verbrennungsmaxima ergibt sich ein deutlicheres Maximum, das wesentlich einfacher auszuwerten und zu erkennen ist, als bei dem unverarbeiteten Körperschallsignal KS.
Erfindungsgemäß werden ausgehend von diesem relativen Körperschallsignal KSR die entsprechenden Merkmale, die die Verbrennung charakterisieren, ermittelt. Dies sind vorzugsweise eines oder mehrere der folgenden Merkmale, wie die Winkellage des Wendepunktes, die Winkellage des Minimums, die Winkellage des Maximums, die Winkellage des Wertes bei dem das Signal KSR die Hälfte des Maximalwertes erreicht und/oder die Winkellage bei der das Körperschallsignal den dem Mittelwert zwischen Minimum und Maximum erreicht.
Durch die Wahl des Offsetwinkels zur Bestimmung der Referenzsignale wird die absolute Höhe des Maximum des Körperschallsignals KSR beeinflusst. Die Winkellage, d. h. der zum Maximum gehörende Winkel wird durch die Verarbeitung des Signals jedoch nicht beeinflusst. Des weiteren wäre eine solche Verschiebung der Winkellage nicht relevant, da zur Regelung nur die relative Distanz zum Sollwert herangezogen wird und der Sollwert in der Applikationsphase entsprechend angepasst wird.
Eine weitere Verbesserung der Signalauswertung ergibt sich, wenn das Referenzsignal R ausgehend von einem über mehrere Arbeitsspiele gemittelten Körperschallsignale bestimmt wird. Durch diese Maßnahme können Streuungen zwischen Arbeitsspielen deutlich reduziert werden.
Im Hinblick auf eine bessere graphische Vergleichbarkeit der Signale kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Signal KSR auf einen Bereich zwischen 0 und 1 normiert wird.
Die so gewonnenen Merkmale werden einer Regelung zugeführt, bei der ausgehend von Betriebskenngrößen ein Sollwert für das Merkmal bestimmt wird. Ausgehend von dem Vergleich zwischen dem Sollwert und dem gewonnenen Merkmal bestimmt ein Regler eine Stellgröße. Mit dieser Stellgröße wird dann ein Ansteuersignal eines Stellelements gebildet. Zur Bildung des Ansteuersignals für das Stellelement können noch weitere Größen verwendet werden. Als Ansteuersignal wird vorzugsweise der Ansteuerbeginn des Stellelements, dass die Kraftstoffzuführung beeinflusst, und/oder ein Signal zur Beeinflussung der der Brennkraftmaschine zugeführten Frischluftmenge und/oder Abgasrückführrate verwendet. D. h. vorzugsweise wird abhängig von dem Vergleich zwischen dem Soll- und dem Istwert für das Merkmal der Einspritzbeginn derart verändert, dass sich das Merkmal dem Sollwert annähert. Alternativ oder ergänzend kann vorgesehen sein, dass zusätzlich die Frischluftmenge und rückgeführte Abgasmenge entsprechend verändert wird, dass sich das Merkmal dem Sollwert annähert.
Zur Beeinflussung des Einspritzbeginns wird vorzugsweise das Ansteuersignal zur Beaufschlagung eines Injektors und zur Beeinflussung der Luftmenge wird vorzugsweise ein Abgasrückführventil, eine Drosselklappe und/oder eine Turboladeransteuerung entsprechend angesteuert.

Claims

Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine, bei dem ausgehend von einem Signal, das die Vibrationen einer Brennkraftmaschine charakterisiert, wenigstens ein Merkmal gewonnen wird, das zur Regelung und/oder Steuerung von Betriebskenngrößen der Brennkraftmaschine verwendet werden, wobei zur Bildung des Merkmals das Signal eines Sensors gefiltert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterung niederfrequente Anteile des Signals selektiert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Minimum, ein Maximum des gefilterten Signals und/oder ein Wendepunkt im Signalverlauf ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Merkmal die Winkelstellung verwendet wird, bei dem das gefilterte Signal das Minimum, das Maximum bzw. den Wendepunkt besitzt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Merkmal die Winkelstellung verwendet wird, bei dem das gefilterte Signal eine aus den Größen Minimum, Maximum und/oder Wendepunkt abgeleitete Größe erreicht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Merkmale den Beginn der Verbrennung, und/oder die Lage der Verbrennung charakterisieren.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Betriebskenngrößen der Beginn der Einspritzung und/oder die Luftmenge geregelt und/oder gesteuert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von dem gefilterten Signal ein relatives Signal durch einen Vergleich mit einem Referenzsignal gebildet wird.
Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine, mit Mitteln, die ausgehend von einem Signal, das die Vibrationen einer Brennkraftmaschine charakterisiert, wenigstens ein Merkmal gewinnen, das zur Regelung und/oder Steuerung von Betriebskenngrößen der Brennkraftmaschine verwendet werden, dass die Mittel zur Bildung des Merkmals einen Filter umfassen, der das Signal eines Sensors filtert, dadurch gekennzeichnet, dass das Filter niederfrequente Anteile des Signals selektiert.