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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Korrektur eines
gemessenen Brennraumdruckes einer Brennkraftmaschine.
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Probleme des
Standes der Technik
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Inhalt
der Erfindung ist ein Verfahren zur Korrektur des Brennraumdrucks
unter besonderer Berücksichtigung
von kostengünstigen
(und damit meist ungenaueren) Brennraumdruckaufnehmern. Der Brennraumdruck
soll dabei wesentliche Eingangsgröße der Steuereinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine
sein.
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Steuerungen
für Brennkraftmaschinen
unterliegen einem hohen Kostendruck und sollten daher auf aufwändige Brennraumdruckaufnehmer
verzichten können.
Daher ist es ein Ziel, kostengünstige Brennraumdruckaufnehmer
einzusetzen, die meist jedoch eine an sich unzureichende Genauigkeit
insbesondere nach längerer
Betriebszeit aufweisen.
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Ein
häufig
vorgeschlagenes Prinzip zur Messung des Brennraumdrucks ist die
Umwandlung des Drucks in eine Kraft auf ein piezo-elektrisches Messelement.
Bei Verwendung bekannter piezokeramischer Materialien lassen sich
gute Empfind lichkeiten bei niedrigen Kosten erreichen. Dabei sind
Aufnehmerprinzipien bekannt, die einen direkten Zugang zum Brennraum
benötigen
oder aber komplett außerhalb
des Brennraums z.B. in der Zündkerze
die resultierenden Kräfte
aus dem Brennraumdruck messen. Der wesentliche Nachteil dieser Aufnehmer,
der eine Anwendung erschwert, ist der unbekannte bzw, sich zeitlich ändernde
Verstärkungsfaktor.
Ursachen sind u.a.:
- – der ausgeprägte Temperaturgang
bekannter Piezokeramiken,
- – die
Chargenabhängigkeit
der Piezokeramiken,
- – nicht
konstante Kraftschlussparameter bei Aufnehmern außerhalb
des Brennraums.
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Der
Verstärkungsfaktor
der Brennraumdruckaufnehmer kann sich durchaus um mehrere 10% ändern, wenn
sich die Aufnehmertemperatur ändert.
Jedoch ist diese Änderung
des Verstärkungsfaktor
langsam im Vergleich zum Arbeitsspiel des Motors, diese Annahme
ist bedeutsam für
das folgende Verfahren.
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Eine
Lösung
ist die Definition von zylinderdruckbasierten Merkmalen, die unempfindlich
gegenüber
der Aufnehmerverstärkung
sind. Typisch ist die Verwendung von Quotienten ausgewählter Brennraumdruckwerte,
wie dies z.B. in der
US 4624229 , der
US 4621603 und der
US 4622939 offenbart ist. Nachteilig
ist die vollkommene Abkehr von den bekannten thermodynamischen Größen, die
in ihrer Interpretation auf eine lange Entwicklung im Rahmen der
Indiziertechnik aufbauen können.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs
genannten Art anzugeben, das eine verbesserte Korrektur von an sich mit
ungenauen Brennraumdruckaufnehmern gemessenen Brennraumdrücken gestattet.
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Vorteile der
Erfindung
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Dieses
Problem wird gelöst
durch ein Verfahren zur Korrektur eines gemessenen Brennraumdruckes
einer Brennkraftmaschine, bei der ein Brennraumdruckaufnehmer mit
einem Brennraum eines Zylinders verbunden ist und bei der ein Ansaugluftdruckaufnehmer
in einem Ansaugrohr, durch das Luft in den Brennraum gefördert werden
kann, angeordnet ist, wobei zur Bestimmung des wahren Brennraumdruckes
aus einem gemessenen Brennraumdruck ein Verstärkungsfaktor und/oder ein Offset
des Brennraumdruckaufnehmers bestimmt wird, indem in mindestens
einer Phase eines Arbeitsspiels, in der der Brennraumdruck etwa
gleich dem Ansaugdruck ist, der Ansaugdruck bestimmt wird und zur
Ermittlung des wahren Brennraumdruckes herangezogen wird. In der
Ansaugphase als einer Phase des Arbeitsspieles eines Zylinders ist
der Druck im Zylinder in ausgewählten
Intervallen von Zeit bzw. Kurbelwinkel in etwa gleich dem Druck
im Ansaugrohr. Eine Korrektur unter Berücksichtigung des Druckunterschiedes
kann in einer Weiterbildung des Verfahrens aus bekannten Wertepaaren
Brennraumdruck-Ansaugdruck, die z.B. in einem Steuergerät abgelegt sein
können,
erfolgen. Vorzugsweise wird der Offset aus mindestens zwei Messwerten
des Brennraumdruckes bestimmt. Hier können je nach zeitlicher Auflösung der
Messkette auch wesentlich mehr als zwei Werte berücksichtigt
werden. Die Messwerte werden vorzugsweise mittels einer polytropen
Zustandsgleichung (pmi + pO)·Vi n = K = const des
Arbeitsgases in Beziehung gesetzt, wobei vermittels dieser Gleichung
der Offset pO ermittelt wird. Die Messwerte für Druck pm und Volumen V werden
vorzugsweise in der Verdichtungsphase, im abgeschlossenen Brennraum
ohne Energiezufuhr durch die Verbrennung, gemessen.
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Der
zu bestimmende Verstärkungsfaktor
G wird vorzugsweise aus mindestens einem Wertepaar Brennraumdruck/Ansaugdruck
bestimmt. Die Wertepaare werden in der Ansaugphase ermittelt, wobei diese
vorzugsweise nach G = (pmj + pO)/psj in Beziehung gesetzt werden.
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Bevorzugt
werden die Messwerte und/oder die Wertepaare in der Kompressionsphase
des Zylinders ermittelt. Alternativ könnten diese auch in der Expansionsphase
nach erfolgter Verbrennung bestimmt werden.
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Ändert sich
der Verstärkungsfaktor
des Brennraumdruckaufnehmers im Betrieb nicht oder nur geringfügig, so
kann ein Vorgabewert des Verstärkungsfaktors
gespeichert werden und der Brennraumdruckaufnehmer als funktionsfähig eingestuft werden,
wenn der aus den Wertepaaren pm/ps bestimmte Verstärkungsfaktor
innerhalb eines vorgegebenen Intervalls des Vorgabewertes liegt.
Liegt der Verstärkungsfaktor
außerhalb
des vorgegebenen Intervalls, so ist der Brennraumdruckaufnehmer
fehlerfrei, andernfalls defekt.
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Das
eingangs genannte Problem wird auch gelöst durch ein Steuergerät für eine Brennkraftmaschine,
das ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausführen kann.
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Zeichnungen
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Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Dabei
zeigen:
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1 eine
Skizze eines Zylinders einer Brennkraftmaschine;
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2 einen
Vergleich des wahren Druckverlaufs mit einem gemessenen Druckverlauf
in einem Brennraum.
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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 mit Saugrohreinspritzung
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 zugeführt wird. stromab der Drosselklappe 11 ist
ein Ansaugluftdruckaufnehmer 15 zur Messung des im Ansaugrohr 7 herrschenden
Luftdruckes angeordnet. Des Weiteren kann ein hier nicht näher dargestellter
Luftmassensensor im Ansaugrohr 7 angeordnet sein. 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 unter gebracht, der der weiteren chemischen Umsetzung
von in den Abgasen enthaltenen Schadstoffen dient.
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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.
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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.
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An
dem Brennraum 4 ist ein Brennraumdruckaufnehmer 16 angeordnet,
der mit einer elektrischen Zuleitung 17 mit dem Steuergerät 18 verbunden
ist. Die Einbaulage des Brennraumdruckaufnehmers 16 ist
hier nur schematisch dargestellt, diese kann je nach vorhandenem
Bauraum und sonstigen Anforderungen variieren. Der durch den Brennraumdruckaufnehmer 16 bereitgestellte
Verlauf des Brennraumdrucks 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 Brennraumdruckaufnehmer 16 liefert ein
Signal pm als gemessenen Druckverlauf gemäß 2, dargestellt
ist der Brennraumdruck (Zylinderdruck) in Pascal über dem
Kurbelwellenwinkel KW in Grad. Zusätzlich ist in 2 der
wahre Brennraumdruck pw zum Vergleich dargestellt. Der gemessene Brennraumdruck
pm ist gegenüber
dem wahren Brennraumdruck pw zum einen um einen Offset pO verschoben,
zum anderen um einen Verstärkungsfaktor
G gestreckt bzw. gestaucht.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
nutzt den Umstand, dass während
des Arbeitsspiels für
einen gewissen Zeitraum der Druck im Brennraum gleich dem Druck
im Luftansaugsystem ist (Saugrohrdruck ps). Diese Annahme gilt in
ausgewählten
Intervallen von Zeit bzw. Kurbelwinkel während der Ansaugphase des Arbeitsspiels,
in der das Einlassventil des Zylinders geöffnet ist. Der Effekt pulsierender
Druckverlaufs im Luftansaugsystem kann durch geeignete Filterung
kompensiert werden.
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Zusätzlich wird
berücksichtigt,
dass der Brennraumdruck mit einem unbekannten additiven Fehler (Offset
pO) versehen ist. Dieser Offset ist typisch für das piezoelektrische Messprinzip,
das nur die Messung relativer Drücke
gestattet. Der wahre Brennraumdruck pw kann demnach aus dem gemessenen
Brennraumdruck pm bestimmt werden, wenn die Parameter Verstärkungsfak tor
G und Offset pO bekannt sind. Wichtig ist dabei die Voraussetzung, das
G und pO während
eines Arbeitsspiels konstant sind. pw = G·(pm
+ pO) (1)
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Zunächst wird
der Offset pO über
den bekannten Zusammenhang zwischen Brennraumdruck und -volumen
durch die polytrope Zustandsgleichung bestimmt: (pmi +
pO)·Vi n = K = const (2)i ist dabei
ein Index und entspricht der Abtastung an einem beliebigen Kurbelwellenwinkel
mit dem zugehörigen
Zylindervolumen Vi. Dieser Zusammenhang gilt
während
der Phasen des Arbeitsspiels, in denen das Gasvolumen im Zylinder
eingeschlossen ist und keine Energieumsetzung durch Verbrennung
erfolgt, d.h. in der Kompressionsphase vor Brennbeginn und in der
Expansionsphase nach Brennende. Der Exponent n hängt wesentlich von der Zusammensetzung des
Gases im Zylinder und dem Wärmeübergang vom
Gas an die Umgebung ab. Die Konstante K ist nicht bekannt, daher
kann eine Berechnung des Offsets pO nur bei Kenntnis von mindestens
zwei Wertepaaren p1, V1 und p2, V2 erfolgen. Es ist nun sinnvoll,
diese Gleichung auf die Kompressionsphase vor Beginn der Verbrennung
im Arbeitsspiel anzuwenden. Abhängig
von der Betriebsart ergeben sich unterschiedliche – aber bekannte – Werte
für n (bei Kompression
eines Kraftstoff-Luft-Gemischs ist n ungefähr 1.32, bei Kompression reiner
Luft ist n ungefähr
1.37).
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Der
gemessene Brennraumdruck während der
Ansaugphase, korrigiert um pO, wird nun zum Druck ps ins Verhältnis gesetzt
und liefert den unbekannten Verstärkungsfaktors des Brennraumdruckaufnehmers: G = (pmj +
pO)/psj (3)
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Der
Index j beschreibt hier Messwerte aus dem Intervall (gemessen über den
Kurbelwellenwinkel bzw. der Zeit) der Druckgleichheit zwischen Brennraum
und Luftansaugsystem. Mit bekanntem G kann nun der Druckverlauf
des kompletten Arbeitsspiels korrigiert werden. Nachfolgende Berechnungen
thermodynamischer Kenngrößen sind
somit frei vom Verstärkungsfehler
des Brennraumdruckaufnehmers, die Korrektur erfolgt für jedes
Arbeitsspiel und jeden Brennraumdruckaufnehmer im Motor individuell.
Sinnvoll ist hier eine Mittelwertbildung, um das Ergebnis weniger
anfällig
gegenüber
stets vorhandenem Messrauschen zu machen.
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Ändert sich
der Verstärkungsfaktor
G des Brennraumdruckaufnehmers 16 im Betrieb nicht oder nur
unwesentlich, so kann der bekannte und z.B. in dem Motorsteuergerät gespeicherte
(normale und zu erwartende) Verstärkungsfaktor G zur Diagnose
des Brennraumdruckaufnehmers herangezogen werden. Liegt der gemessene
Verstärkungsfaktor
in eine Intervall um den gespeicherten (zu erwartenden) Verstärkungsfaktor
G, so ist der Brennraumdruckaufnehmer 16 in Ordnung, liegt
dieser außerhalb
des vorzugebenden Intervalls, so ist der Brennraumdruckaufnehmer 16 defekt.
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Zusammengefasst
kann das Verfahren wie in 3 dargestellt
beschrieben werden. Zunächst wird
der Brennraumdruck pm für
ein Arbeitsspiel erfasst und gespeichert. Parallel zur Erfassung
und Speicherung des Brennraumdruckes pm wird der Saugrohrdruck ps
erfasst und gespeichert. Vermittels Gleichung (2) wird nun der Offset
pO bestimmt. Danach wird der Verstärkungsfaktor G aus den gemessenen
und gespeicherten Werten für
pm und ps (wobei selbstverständlich
jeweils zusammenhängende Werte
bei gleichem Kurbelwellenwinkel in Beziehung gesetzt werden) ermittelt.
Schließlich
wird der wahre Brennraumdruck pw aus dem gemessenen Brennraumdruck
pm gemäß Gleichung
(1) ermittelt.