-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Korrektur eines
gemessenen Brennraumdruckes einer Brennkraftmaschine, wobei der
gemessene Brennraumdruck mit einem Druckaufnehmer, der einen Empfindlichkeitsfehler
aufweist, gemessen wird.
-
Wie
alle Druckaufnehmer werden auch die zur Messung des Brennraumdrucks
in Brennkraftmaschinen bestimmten Druckaufnehmer in der Regel in der
Fertigung einmal kalibriert. Hierzu werden definierte Drücke und
Temperaturen angefahren und das jeweilige Ausgangssignal des Druckaufnehmers
an die Sollkennlinie des Druckaufnehmers angepasst. Die Anpassung
erfolgt durch Einstellung der beiden Parameter Offset und Empfindlichkeit,
derart, dass die Abweichungen zur Sollkennlinie möglichst
minimal sind. Während
der Lebensdauer eines Druckaufnehmers, insbesondere nach längerem Einsatz, kann
es, bedingt durch Umgebungseinflüsse,
wie etwa hohen Temperaturen, zu Änderungen
der Übergangswiderstände, Kapazitäten oder
dergleichen innerhalb des Druckaufnehmers kommen. Diese Änderungen
haben eine Drift und damit eine Einbuße in der Messgenauigkeit des
Druckaufnehmers zur Folge, die, sofern praktisch möglich, durch
eine Nachkalibrierung behoben werden kann.
-
Da
eine Nachkalibrierung eines Druckaufnehmers zur Wiederherstellung
der ursprünglichen Messgenauigkeit
für Druckaufnehmer,
die zur Messung des Brennraumdrucks in Brennkraftmaschinen verwendet
werden, in der Regel nicht möglich
ist, dürfen
die verwendeten Druckaufnehmer über
ihre gesamte Lebensdauer nur sehr geringen Driften unterworfen sein,
was insbesondere bei den hohen Temperaturen in den Zylindern von
Brennkraftmaschinen nur schwer zu realisieren ist. Aus der Druckschrift
US 5,276,625 ist bekannt,
die gemessenen Brennraumdruckwerte mit vorbestimmten Referenzwerten
des Brennraumdruckes bei definierten Kurbelwellenwinkeln zu vergleichen
und entsprechend zu korrigieren.
-
Probleme des
Standes der Technik
-
Basis
des aus dem Stand der Technik bekannten Verfahrens sind einmalig
gemessene Referenzwerte, die für
die gesamte Einsatzdauer des verwendeten Druckaufnehmers als Korrekturmittel
des gemessenen Brennraumdrucks dienen. Eine hinreichend genaue Korrektur
des gemessenen Brennraumdrucks ist daher nicht zu erwarten, zumal
die bei der Messung der Referenzwerte vorliegenden Druckverhältnisse
nicht ohne weiteres auf die Druckverhältnisse der eigentlichen Brennraumdruckmessung übertragbar
sind.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren anzugeben,
welches Druckmesswerte höherer
Genauigkeit bereitstellt.
-
Vorteile der
Erfindung
-
Diese
Aufgabe wird gelöst
durch ein Verfahren zur Korrektur eines gemessenen Brennraumdruckes
einer Brennkraftmaschine, wobei der gemessene Brennraumdruck mit
einem Druckaufnehmer, der einen Empfindlichkeitsfehler aufweist,
gemessen wird, wobei der Empfindlichkeitsfehler aus mindestens zwei
gemessenen Drücken
während
eines Arbeitsspieles der Brennkraftmaschine unter Berücksichtigung
einer Zustandsänderung
eines Arbeitsgases in dem Brennraum zwischen den gemessenen Drücken ermittelt
wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird ausgenutzt, dass für
die Kompressionsphasen in den Zylindern von Brennkraftmaschinen
in guter Näherung
von einer adiabatischen Zustandsänderung
ausgegangen werden kann, bei der die Größe P·Vκ konstant
ist, wobei κ der
Adiabatenexponent, p der Druck und V das Zylindervolumen ist. Vorzugsweise
wird daher eine polytrope Zustandsänderung p_max – p_min
= p_min·(Vminκ/Vmaxκ – 1) zur
Ermittlung der Zustandsänderung
verwendet. Entsprechen die gemessenen Werte für das Zylindervolumen V und
dem Brennraumdruck p aufgrund von Messfehlern jedoch nicht den physikalisch
richtigen Werten ergeben sich Abweichungen von der Konstanz der
Größe p·Vκ.
Da das Zylindervolumen V eine eindeutige Funktion des Kurbelwellenwinkels
ist, ist es zu jedem Zeitpunkt mit hinreichender Genauigkeit bekannt.
Abweichungen von der Konstanz der Größe P·Vκ sind
daher die Folge einer mit Messfehlern behafteten Brennraumdruckmessung.
Diese Abweichungen werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet, um
den Messfehler der Druckmessung zu berechnen und zu korrigieren.
-
In
einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass einer der
gemessenen Drücke
der Minimaldruck in dem Zylinder ist. Der Minimaldruck wird in der
Regel bei geöffnetem
Einlassventil in der Nähe des
unteren Totpunktes des Gaswechseltaktes erreicht und entspricht
in etwa dem Druck im Ansaugrohr.
-
Der
Empfindlichkeitsfehler kann auch als Mittelwert aus mehreren Drücken ermittelt
werden. Dabei kann z.B. jeweils aus zwei Drücken ein Empfindlichkeitsfehler
bestimmt werden und der Empfindlichkeitsfehler über diese Werte gemittelt werden.
-
Des
Weiteren kann vorgesehen sein, dass der Druckaufnehmer zusätzlich einen
Offsetfehler aufweist, wobei der Offsetfehler und der Empfindlichkeitsfehler
in aufeinander folgenden Arbeitsspielen der Brennkraftmaschine ermittelt
werden. Zunächst wird
also der Empfindlichkeitsfehler durch Messung zweier Drücke in einem
Arbeitstakt ermittelt, in einem darauf folgenden Arbeitstakt wird
der Offsetfehler bei bekanntem Empfindlichkeitsfehler mit einer
weiteren Messung oder mehreren Messungen als Mittelwert bestimmt.
-
In
einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Offsetfehler
und der Empfindlichkeitsfehler in unmittelbar aufeinander folgenden
Arbeitsspielen der Brennkraftmaschine ermittelt werden.
-
Der
Offsetfehler kann auch als Mittelwert aus mehreren Drücken ermittelt
werden. Dabei kann z.B. jeweils aus einem gemessenen Druck ein Offsetfehler
bestimmt werden und der Offsetfehler über diese Werte gemittelt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
der Offsetfehler durch Übernahme
eines Messwertes eines Saugrohrdruckes eliminiert wird. Der Saugrohrdruck entspricht
etwa dem Umgebungsdruck.
-
Insgesamt
betrachtet können
durch das erfindungsgemäße Verfahren
sämtliche
durch Driften bedingte Messungenauigkeiten der verwendeten Druckaufnehmer über ihre
gesamte Lebensdauer hinweg korrigiert werden. Ein sehr aufwendige
Nachkalibrierung der Druckaufnehmer, die unter Umständen einen
sehr aufwendigen Ausbau des Druckaufnehmers aus dem Zylinder erfordert,
ist nicht erforderlich. Die insbesondere bei längeren Einsatzzeiten unvermeidbaren
Driften können
daher durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens toleriert werden,
da sie entsprechend korrigiert werden können. Diese Korrekturmöglichkeit
kann ohne zusätzliche
Kosten vorgenommen werden, die ansonsten in eine aufwendige lebensdauerstabilere
Aufbau- und Verbindungstechnik investiert werden müssten. Zudem
machen die sehr beengten Bauraumverhältnisse im Zylinderkopf es
oftmals unmöglich,
einen Druckaufnehmeraufbau zu verwenden, welcher im Hinblick auf
die Minimierung von Driften thermisch und mechanisch optimal ausgelegt
ist.
-
Das
Eingangs genannte Problem wird auch gelöst durch eine Brennkraftmaschine
mit Mitteln zur Korrektur eines Brennraumdruckes, der mit einem Druckaufnehmer
gemessenen wurde, wobei der gemessene Brennraumdruck einen Empfindlichkeitsfehler
des Druckaufnehmers enthält,
dadurch gekennzeichnet, dass der Empfindlichkeitsfehler aus mindestens
zwei gemessenen Drücken
während
eines Arbeitsspieles der Brennkraftmaschine unter Berücksichtigung
einer Zustandsänderung
eines Arbeitsgases in dem Brennraum zwischen den gemessenen Drücken ermittelt
werden kann.
-
Zeichnungen
-
Nachfolgend
wird ein Ausführungsheispiel der
vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
-
Dabei
zeigen:
-
1 eine
Skizze eines Zylinders einer Brennkraftmaschine;
-
2 einen
Brennraumdruckverlauf in Abhängigkeit
vom Kurbelwellenwinkel;
-
3 ein
Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
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 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 Drucksensor 16 angeordnet,
der mit einer elektrischen Zuleitung 17 mit dem Steuergerät 18 verbunden
ist. Die Einbaulage des Drucksensors 16 ist hier nur schematisch
dargestellt, diese kann je nach vorhandenem Bauraum und sonstigen
Anforderungen variieren. Der durch den Drucksensor 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 Drucksensor 16 liefert
ein Signal pm als gemessenen Druckverlauf gemäß 2.
-
2 zeigt
beispielhaft einen tatsächlichen Brennraumdruckverlauf 21 in
bar, einen mit Empfindlichkeitsfehler f_v gemessenen Brennraumdruckverlauf 22 und
einen mit Offsetfehler f_o gemessenen Brennraumdruckverlauf 23 in
Abhängigkeit
vom Kurbelwellenwinkel °KW.
Dargestellt sind die Verläufe während einer
Kompressionsphase, wie aus dem Anstieg der einzelnen Drücke mit
zunehmendem Kurbelwellenwinkel °KW
ersichtlich ist. Typisch für den
mit einem Offsetfehler f_o gemessenen Druckverlauf 23 ist
seine Verschiebung um einem nahezu konstanten Druckwert gegenüber dem
wahren, also physikalisch richtigen Druckverlauf 21. Typisch
für den
mit einem Empfindlichkeitsfehler f_v gemessenen Druckverlauf 22 ist
seine gegenüber
dem wahren Druckverlauf 21 deutlich unterschiedliche Steigung, insbesondere
zu höheren
Druckwerten hin. Anhand der 1 wird klar,
dass die gemessenen Druckverläufe 22, 23 deutlich
von dem wahren Druckverlauf 21 abweichen, so dass ohne
eine Korrektur des gemessenen Drucks keine zuverlässigen Druckwerte ermittelt
werden können.
Eine mittels Brennraumdruck geführte
optimale Steuerung einer Brennkraftmaschine, insbesondere in Form
eines Motors, wäre unter
Verwendung dieser fehlerbehafteten Messwerte kaum möglich.
-
Um
dennoch auch mit einer derart fehlerbehafteten Brennraumdruckmessung,
die die Folge einer Drift des verwendeten Druckaufnehmers ist, eine optimale
Motorsteuerung zu realisieren, wird der gemessene Brennraumdruck
p mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens
korrigiert. Hierzu wird von folgender allgemeinen Beziehung zwischen
dem gemessenen Brennraumdruck P_mess und dem physikalisch richtigen
Brennraumdruck P_phys Gebrauch gemacht: P_mess
= P_phys + f_o + (p_phys – P_Umgebung)·f_v,oder äquivalent P_phys = (P_mess + f_0 + p_Umgebung·f_v)/(1
+ f_v),wobei f_o der Offsetfehler, f_v der Empfindlichkeitsfehler
und P_Umgebung der Umgebungsdruck ist.
-
Werden
zwei Drücke
p_max und p_min ermittelt, so gilt unter der Annahme, dass der Offsetfehler
f_o und der Empfindlichkeitsfehler f_v bei beiden Messungen gleich
sind, was bei zeitlich nah beieinander liegenden Messungen der Fall
ist, f_v = (p_mess_max – p_mess_min – p_phys_max
+
p_phys_min)/(p_phys_max – p_phys_min).
-
Der
gemessene Brennraumdruck P_mess wird in die für adiabatische Zustandsänderungen
geltende Gesetzmäßigkeit
P·Vκ =
c eingesetzt und führt im
Laufe der Kompression aufgrund des Offsetfehlers f_o und des Empfindlichkeitsfehlers
f_v zu einer Abweichung von dem konstanten Wert c. Da ferner auch
für die
Differenz zwischen dem maximalen Brennraumdruck P_max und dem minimalen
Brennraumdruck p_min in der Kompressionsphase die obige Gesetzmäßigkeit
gilt, ergibt sich die Beziehung p_max – p_min
= p_min·(Vminκ/Vmaxκ – 1),aus
der die Konstante c eliminiert ist.
-
Unter
Verwendung dieser Beziehung und der obigen allgemeinen Beziehungen
kann, sofern für
die Brennraumdruckmessung ein piezoelektrischer Druckaufnehmer verwendet
wird, der Empfindlichkeitsfehler einfach berechnet und korrigiert
werden. Dies ist eine Folge des Umstands, dass bei piezoelektrischen
Druckaufnehmern aufgrund des zugrundliegenden Messprinzips kein
Offset fehler f_o auftreten kann. Der lediglich zu ermittelnde Empfindlichkeitsfehler
f_v kann daher eindeutig ermittelt werden. Für die übrigen Druckaufnehmertypen,
die sowohl Offsetfehler f_o als auch Empfindlichkeitsfehler f_v aufweisen
können,
kann in der folgenden Kompressionsphase der Offsetfehler f_o eindeutig
berechnet und korrigiert werden. Hierbei ist zu beachten, dass auch
wenn beide Fehler gleichzeitig wirken, keine Möglichkeit besteht beide Fehler
gleichzeitig eindeutig zu eliminieren. Da jedoch in jedem Arbeitsspiel des
Motors je ein Fehler korrigiert werden kann, ist lediglich zu fordern,
dass sowohl der Empfindlichkeits- als auch der Offsetfehler über zwei
Arbeitsspiele konstant bleibt.
-
Alternativ
besteht die Möglichkeit,
den minimalen Brennraumdruck p_min, der dem Ansaugrohrdruck entspricht,
mit einem Ladedruckfühler
zu messen, um den Rechenaufwand für die Korrektur deutlich zu
reduzieren. In diesem Fall kann der minimale Brennraumdruck p_min
als fehlerfrei und damit als wahrer Druck p_phys min angenommen
werden, sodass nur der zweite gemessene Wert p_max fehlerbehaftet
ist. Mit p_max – p_min
= p_min·(Vminκ/Vmaxκ – 1) kann
dann unmittelbar der wahre zweite Wert p_phys_max ermittelt werden,
woraus unmittelbat der Empfindlichkeitsfehler f_v bestimmt werden kann.
Der Empfindlichkeitsfehler f_v kann auch als Mittelwert aus mehreren
Drücken
ermittelt werden. Dabei kann z.B. jeweils aus zwei Drücken ein
Empfindlichkeitsfehler bestimmt werden und der Empfindlichkeitsfehler über diese
Werte gemittelt werden. Ebenso kann der Offsetfehler f_o als Mittelwert
aus mehreren Drücken
ermittelt werden. Dabei kann z.B. jeweils aus einem gemessenen Druck
ein Offsetfehler bestimmt werden und der Offsetfehler über diese Werte
gemittelt werden
-
3 zeigt
ein Ablaufdiagramm, welches den Ablauf der Korrektur eines gemessenen
Brennraumdrucks mittels eines Steuergeräts SG schematisch beschreibt.
Der physikalisch richtige Brennraumdruck P_phys (Schritt 24)
wird unter Verwendung eines Druckaufnehmers gemessen, welcher als Ausgangsgröße den gemessenen
Druck P_mess (Schritt 26) bereitstellt, der aufgrund des
Einflusses eventueller Empfindlichkeitsfehler und Offsetfehler (Schritt 25)
von dem physikalisch richtigen Druck P_phys (Schritt 24)
abweichen kann. Mittels eines auf dem Steuergerät SG ablaufenden Korrekturalgorithmus
(Schritt 28), dem die für
adiabatische Zustandsänderungen
geltende Gesetzmäßigkeit
P·Vκ = c
(Schritt 27) zugrunde liegt, wird der gemessene Druck wie
oben beschrieben korrigiert. Dieser nunmehr im Steuergerät SG abgelegte
korrigierte Druck Pkorr (Schritt 29) steht dem Motor für Steuer-
und Regelungszwecke zur Verfügung.