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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung
einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff
der unabhängigen
Ansprüche.
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Ein
Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine
sind aus der
DE 10305656 bekannt.
Mit dem dort beschriebenen Verfahren werden, ausgehend von dem Signal
eines Körperschaltsensors
verschiedene Kenngrößen ermittelt,
die zur Regelung der Brennkraftmaschine verwendet werden.
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Bei
der Steuerung und/oder Reglung einer Brennkraftmaschine, insbesondere
einer Diesel-Brennkraftmaschine 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. Diese Brennverfahren werden in Teilbereichen
des motorischen Betriebskennfelds als eine Betriebsart neben dem
konventionellen, inhomogenen Brennverfahren eingesetzt. Vorteilhaft
bei diesen teilhomogenen oder homogenen Brennverfahren ist, dass
bei diesen eine niedere Emission, insbesondere von Stickoxiden oder
Partikeln auftreten. Nachteilig an diesen teilhomogenen bzw. homogenen
Brennverfahren ist, dass, aufgrund des hohen Zündverzugs verstärkt Geräuschemissionen
auftreten, welche durch bekannte Maßnahmen, wie eine erhöhte Abgasrückführrate oder
die Spätverstellung
der Verbrennung nicht vollständig
vermieden werden können.
Vor allem beim Übergang
vom konventionellen zum teilhomogenen Betrieb sowie in dynamischen
Betriebszuständen
treten diese Geräuschemissionen
auf.
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Erfindungsgemäß ist nun
vorgesehen, dass durch Erfassen einer Geräuschgröße, die die Intensität der Verbrennungsgeräusche charakterisiert,
eine Kenngröße bereitgestellt
wird, die eine genaue Regelung und/oder Steuerung der Brennkraftmaschine ermöglicht.
Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, dass diese Geräuschgröße ausgehend
von einem Brennraumdrucksignal, das von einem Brennraumdrucksensor
bereitgestellt wird, berechnet wird.
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Diese
Geräuschgröße ermöglicht eine
Bewertung der Geräuschemission
im Fahrzeug. Dadurch ist es möglich,
permanent die Steuerung und/oder Regelung der Brennkraftmaschine
unter Berücksichtigung
der Verbrennungsgeräusche
zu optimieren.
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Erfindungsgemäß wird ausgehend
von einem Brennraumdrucksignal eine Geräuschgröße abgeleitet, die die Intensität des Verbrennungsgeräusches der
Brennkraftmaschine charakterisiert. D. h. die Geräuschgröße gibt
die Intensität
des Verbrennungsgeräusches
wieder. Diese Größe entspricht der
Signalenergie des Brennraumdrucks in einem bestimmten Frequenzband. Üblicherweise
werden zur Berechnung dieser Größe winkelsynchron
abgetastete Signale verwendet. Daher ist üblicherweise ein drehzahlabhängiges Bandpassfilter
erforderlich, welches einen hohen Rechenaufwand für den Entwurf
bedeutet.
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Zeichnung
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsformen erläutert. Es
zeigen
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1 die
wesentlichen Elemente der erfindungsgemäßen Vorrichtung und
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2 eine
detailliertere Darstellung der erfindungsgemäßen Signalaufbereitung.
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In
Figur ist die erfindungsgemäße Vorgehensweise
anhand eines Blockdiagramms dargestellt. Mit 100 ist eine
Brennkraftmaschine bezeichnet. Dieser zugeordnet ist ein Einspritzsystem 110, eine
erster Sensor 120 und ein zweiter Sensor 125. Neben
diesen Elementen können
noch weitere Sensoren und weitere Steller der Brennkraftmaschine 100 zugeordnet
sein.
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Der
erste Sensor liefert ein Signal P an eine Merkmalsberechnung 130,
ferner liefert der zweite Sensor 125 ein Signal KW an die
Merkmalsberechnung 130. Ausgehend von diesen Größen und
gegebenenfalls weiteren Größen berechnet
die Merkmalsberechnung 130 eine erste Größe B und
eine zweite Größe G. Die
zweite Größe G, die
auch als Geräuschgröße bezeichnet
wird, gelangt zu einem zweiten Regler 140, der auch als
Geräuschregler
bezeichnet wird, und von dort zu einem Verknüpfungspunkt 150. Die
erste Größe B gelangt
unmittelbar zu dem Verknüpfungspunkt 150.
Mit dem Ausgangssignal des Verknüpfungspunkts 150 wird
ein Verknüpfungspunkt 155 beaufschlagt,
an dessen zweitem Eingang das Ausgangssignal S einer Sollwertvorgabe 160 anliegt.
Mit dem Ausgangssignal des Verknüpfungspunkts 155 wird
ein erster Regler 170 beaufschlagt.
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Des
Weiteren sind weitere Steuerfunktionen 180 vorgesehen,
die verschiedene Steuergrößen bereitstellen.
Dies sind unter anderem eine Größe BP2, die
den Beginn einer Voreinspritzung angibt, eine Größe DP2, die die Dauer der Voreinspritzung
angibt, die Größe P2, die
den Raildruck eines Common Rail Systems angibt und die Größe BM2,
die den Beginn einer Haupteinspritzung angibt. Diese Größen gelangen
jeweils zu einem Verknüpfungspunkt 190, 192, 194 und 196.
Am zweiten Eingang des Verknüpfungspunkts 190 liegt
das Ausgangssignal BP1 des zweiten Reglers 140. Am zweiten
Eingang des Verknüpfungspunkts 192 liegt
das Ausgangssignal DP1 des zweiten Reglers 140. Am zweiten
Eingang des Verknüpfungspunkts 194 liegt
das Ausgangssignal P1 des zweiten Reglers 140. Am zweiten
Eingang des Verknüpfungspunkts 196 liegt
das Ausgangssignal BM1 des ersten Reglers 170. D. h. der
entsprechenden Stellgrößen der
Steuerfunktionen 180 werden in den Verknüpfungspunkten 190, 192, 194 und 196 die
Stellgrößen des
ersten Reglers 170 bzw. des zweiten Reglers 140 überlagert.
Und zur Ansteuerung des Einspritzsystems 110 verwendet.
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Üblicherweise
werden als Einspritzsystem Injektor verwendet, der ein Magnetventil
oder einen Piezo-Aktor beinhaltet, dessen Ansteuerungsbeginn den
Beginn der jeweiligen Einspritzung und dessen Ansteuerende zusammen
mit dem Ansteuerbeginn die Ansteuerdauer und damit die eingespritzte
Kraftstoffmenge beeinflusst. Des Weiteren ist ein Stellelement vorgesehen,
dass den Raildruck beeinflusst. Abhängig von den Signalen BP1,
DP1, P1 und BM1 stellt das Magnetventil bzw. der Piezo-Aktor, die
jeweiligen Größen ein.
Die angegebenen Größen geben
eine bevorzugte Auswahl an Größen an,
auf die der Geräuschregler 140 bzw.
der erste Regler 170 eingreifen. Neben die Größen können die
beiden Regler noch auf weitere Größen eingreifen. Bei vereinfachten
Ausführungsformen
kann auch vorgesehen sein, dass die Regler nur auf eine Auswahl
oder gar auf einzelne Größen eingreifen.
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Als
weitere Stellgrößen, auf
die der Geräuschregler
eingreifen kann sind die Dauer der Voreinspritzung, der Beginn der
Voreinspritzung und/oder die Anzahl der Voreinspritzungen. Das heißt es können eine
oder mehrere Voreinspritzungen vorgesehen sein, wobei bei einer
oder mehreren dieser Voreinspritzungen auf die Dauer und/oder den Beginn
der Voreinspritzung eingegriffen wird. Falls entsprechende Steller
vorhanden sind, kann in vorteilhafter weise auch der Drall der Luftmenge,
die der Brennkraftmaschine zugeführt
wird, als Stellgröße verwendet
werden. Ferner kann auf ein Heizelement eingegriffen werden. Dies
bedeutet, zur Geräuschregelung
kann ein spezieller Glühvorgang,
der auch als Zwischenglühen
bezeichnet wird, der Glühkerzen eingeleitet
werden. Dabei kann die Temperatur der Glühkerzen, die Zeitdauer des
Glühvorgangs,
die Häufigkeit
des Glühvorgangs
und/oder eine andere Größe, die
sich auf die Temperatur der Glühkerzen auswirkt
als Stellgröße verwendet
werden. Ferner kann vorgesehen sein, dass der Geräuschregler
auf das Luftsystem eingreift. Besonders vorteilhaft ist es, wenn
als Stellgröße die Abgasrückführrate oder
eine der Abgasrückführrate vergleichbare
Größe verwendet
wird.
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Erfindungsgemäß ist nun
vorgesehen, dass die Sollwertvorgabe 160 einen Sollwert
S für die
Verbrennungslage vorgibt. Dieser wird im Verknüpfungspunkt 155 mit
der ersten Größe B verglichen.
Ausgehend von diesem Vergleich bestimmt der erste Regler 170 eine
Stellgröße BM1,
die den Beginn der Haupteinspritzung beeinflusst. Diese Größe wird
im Verknüpfungspunkt 156 mit
der Steuergröße BM2, die
ebenfalls den Brennbeginn angibt, und von weiteren Steuerfunktionen 180 vorgegeben
wird, verknüpft.
D. h. die Merkmalsberechnung 130 berechnet, ausgehend von
dem Signal P einen Istwert der Verbrennungslage, der im Verknüpfungspunkt 155 mit
dem Sollwert S verknüpft
wird. Ausgehend von der Abweichung des Istwerts vom Sollwert für die Verbrennungslage
bestimmt der erste Regler 170 die Stellgröße BM1 zur
Beeinflussung des Beginns der Hautpeinspritzung. D. h. der Beginn
der Hautpeinspritzung wird abhängig
von der Abweichung der Verbrennungslage von ihrem Sollwert geregelt.
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Des
Weiteren berechnet die Merkmalsberechnung 130 eine zweite
Größe G, die
die Intensität der
Verbrennungsgeräusche
charakterisiert. Die Berechnung dieser Geräuschgröße ist in 2 detaillierter
ausgeführt.
Diese Geräuschröße G wird
einem zweiten Regler, der im Folgenden auch als Geräuschregler 140 bezeichnet
wird zugeführt.
Der Istwert der Geräuschgröße G wird
dann von dem Geräuschregler 140 auf
einen maximal tolerierbaren Wert, der auch als Sollwert bezeichnet
wird, eingeregelt. Zur Einstellung der Geräuschemission greift der zweite
Regler auf die Dauer der Voreinspritzung DP1, den Beginn der Voreinspritzung
BP1 und/oder den Raildruck P1 ein. So wird beispielsweise von dem Regler
ein Korrekturwert für
die entsprechenden Größen vorgegeben,
mit dem in den Verknüpfungspunkten 190, 192 und/oder 194 die
entsprechenden Größen BP2,
DP2 und P2, die von den Standardsteuerfunktionen 160 vorgegeben
werden entsprechend korrigiert werden. Mit den Ausgangssignalen
der entsprechenden Verknüpfungspunkte
wird dann das Einspritzsystem entsprechend angesteuert.
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Erfindungsgemäß wird ausgehend
von dem Signal P des ersten Sensors sowohl eine Geräuschgröße G als
auch ein Größe B, die
die Verbrennungslage charakterisiert, berechnet. Diese Größen werden
jeweils einem Regler 170 bzw. 140 zugeleitet, der
diese Größen auf
einen vorgegebenen Sollwert einregelt. Dabei ist insbesondere vorgesehen,
dass der Sollwert S für
die Verbrennungslage abhängig vom
Betriebszustand der Brennkraftmaschine vorgebbar ist. Für den Sollwert
des Reglers 140 wird vorzugsweise ein fester Wert vorgegeben.
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Der
Geräuschregler 140 kann
sowohl auf alle drei der angegebenen Größen, als auch auf nur eine oder
zwei dieser Größen eingreifen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Geräuschregler noch auf weitere,
nicht dargestellten Größen, die
einen Einfluss auf die Geräuschemission
des Fahrzeugs haben, eingreift.
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Des
Weiteren kann bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen
sein, dass der Geräuschregler 140 zusätzliche über den
Verknüpfungspunkt 150 auf
den Istwert der Verbrennungslage im Sinne einer Störgrößenaufschaltung
eingreift. Diese vier dargestellten Eingriffe können alleine oder in Kombination
miteinander erfolgen.
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Dies
bedeutet, der zweite Regler 140, der die Geräuschgröße regelt,
greift auf den Beginn einer Voreinspritzung, die Dauer einer Haupteinspritzung, die
Dauer einer Voreinspritzung, den Kraftstoffdruck und/oder auf die
Verbrennungslage ein. Der erste Regler greift vorzugsweise lediglich
auf den Beginn der Haupteinspritzung ein.
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In 2 ist
die Aufbereitung des Signals P des ersten Sensors 120 detaillierter
dargestellt. Der erste Sensor 120 erfasst ein Signal, das
den Druck im Brennraum angibt. Üblicherweise
werden solche Drucksensoren zur Erfassung des Brennraumdrucks verwendet.
Das Ausgangssignal P des Sensors 120 gelangt zu einem ersten
Tiefpass 200 und zu einem zweiten Tiefpass 210.
Die Ausgangsgrößen der
beiden Tiefpässe
werden in dem Verknüpfungspunkt 220 derart überlagert,
dass die beiden Tiefpässe
als Bandpass wirken. D. h. das Signal des zweiten Tiefpasses wird
invertiert und in dem Verknüpfungspunkt 220 mit
dem Ausgangssignal des ersten Tiefpasses 200 additiv überlagert.
Dies so gebildete Signal gelangt zu einem Multiplizierer 230,
der das Signal mit sich selber multipliziert. Anschließend gelangt
dieses Signal zu einem Summierer 240, an dessen Ausgang das
Signal G ansteht, das der Merkmalsberechnung 140 bereit
gestellt wird.
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Erfindungsgemäß wurde
erkannt, dass auf Grund des ausgeprägten Bandpass-Übertragungsverhaltens des Motorblocks
das hörbare
Verbrennungsgeräusch
hauptsächlich
durch die Anregungsenergie des Brennraumdrucks im Durchlassbereich des
Motorblocks bestimmt. Das Drucksignal wird winkelsynchron abgetastet
und über
ein drehzahlabhängiges
Bandpassfilter gefiltert, der durch die Filter 200 und 210 realisiert
ist. Anschließend
wird in den Blöcken 230 und 240 aus
dem gefilterten Signal die Signalenergie berechnet. Diese stellt
eine gute Approximation der Intensität des Verbrennungsgeräusches und
wird als Geräuschgröße G zur
Steuerung verwendet. Der Rechenaufwand wird dadurch reduziert, dass
ein spezielles Filter zur Bandpassfilterung verwendet wird, der
einfach zu entwerfen ist.
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Die
Bandpassfilterung wird über
die zwei drehzahlabhängige
Tiefpassfilter 200 und 210 realisiert. Hierbei
wird angenommen, dass die Motordrehzahl während eines Arbeitsspiels konstant
ist. Nach der Filterung wird das Signal im Punkt 230 quadriert, aufsummiert
und normiert. Die Normierung kann bei einer einfachen Ausführungsform
entfallen.
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Als
Tiefpassfilter werden vorzugsweise FIR Tiefpassfilter, insbesondere
Moving Average Filter, verwendet, deren Impulsantworten im Zeitbereich durch
Rechteckfunktionen gegeben sind.
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Für eine Anzahl
L-Filter von Filterkoeffizienten wird die Harmonische der Fourierreihe
des Brennraumdrucks mit der Periodendauer T0L-Filter (T0 mittlere
Abtastzeit während
eines Arbeitsspiels) und ganzzahlige Vielfache davon zu 0 gemittelt.
Im Frequenzbereich hat die Filterübertragungsfunktion für jede dieser
Ordnungen (Frequenzen) eine Nullstelle. Für den Entwurf des Filters (Bestimmung
der Filterlänge)
wird gefordert, dass die erste Nullstelle der Filterübertragungsfunktion
bei einer vorgegebenen Frequenz liegt. Die Filterlänge berechnet
sich somit zu:
φ0 ist der Abtastwinkel in Grad
Kurbelwinkel und nmot die mittlere Motordrehzahl während eines
Arbeitsspiels. Nachdem die Filterkoeffizienten der beiden Tiefpassfilter
berechnet worden sind, können diese
zu einem Filter zusammengefasst werden. Die den Rechenaufwand bestimmende
Filterlänge
wird durch die unterste Grenzfrequenz bestimmt.
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Bei
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen,
dass eine Filterung der Geräuschgröße erfolgt,
die derart dimensioniert ist, dass die gefilterte Geräuschgröße dem dynamischen Verhalten
des menschlichen Ohres angepasst ist. Das heißt die Geräuschgröße entspricht dem Höreindruck
des Menschen. Signalanteile, die störend empfunden werden, werden
durch die Filterung stärker verstärkt als
Signalanteile, die nicht als störend
empfunden werden. Hierzu wird die Geräuschgröße zylinderindividuell und
arbeitsspielaufgelöst
vor der Weitergabe an den Geräuschregler 140 für jeden
Zylinder einzeln, aber identisch gefiltert. Bei der einfachsten
Ausgestaltung, die eine entsprechende Wirkung erzielt, ist vorgesehen,
dass eine Mittelwertbildung über
eine von der Motordrehzahl abhängige
Anzahl von Arbeitsspielen erfolgt.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen,
dass die Filter des Brennraumdrucks derart dimensioniert ist, dass
die gefilterte Geräuschgröße dem dynamischen
Verhalten des menschlichen Ohres angepasst ist. Das heißt die Geräuschgröße entspricht
dem Höreindruck
des Menschen. Signalanteile, die störend empfunden werden, werden
durch die Filterung stärker
verstärkt
als Signalanteile, die nicht als störend empfunden werden. Hierzu
wird aus dem Brennraumdrucksignal P zylinderindividuell und die
arbeitsspielaufgelöst
berechnete Geräuschgröße vor der
Weitergabe an den Geräuschregler 140 für jeden
Zylinder einzeln, aber identisch gefiltert. Bei der einfachsten
Ausgestaltung, die eine entsprechende Wirkung erzielt, ist vorgesehen,
dass eine Mittelwertbildung über
eine von der Motordrehzahl abhängige
Anzahl von Arbeitsspielen erfolgt.
