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Die
Erfindungbetrifft ein Verfahren sowie ein Steuergerät zur Erhöhung des
Auflösung
von Ausgangssignalen nach den Ansprüchen 1 und 9.
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Die
DD 237 898 A1 betrifft
eine Schaltungsordnung zur Erhöhung
der Messwertauflösung
in der Temperaturmesstechnik. Sie weist eine programmierbare Mess-
und Steuereinrichtung auf, die über Steuerleitungen
mit schaltbaren. Bereichsverstärkern
für das
Temperaturmesssignal eines Temperaturfühlers verbunden ist. Jeder
Bereichsverstärker
ist dabei in Verstärkung
und Offset derart voreingestellt, dass an seinem Ausgang im zugehörigen Messsignalbereich
derselbe Ausgangssignalempfang erzeugt wird, mit welchem ein nachfolgender
Analog-/Digitalwandler im gesamten, seiner Auflösung entsprechenden Zahlenbereich
angesteuert wird.
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In
der
DE 100 34 390
A1 weist ein Drucksensor ein erstes Messelement zur Messung
relativ niedriger Drücke
und ein zweites Messelement zur Messung relativ hoher Drücke auf.
In den zwei verschiedenen Messbereichen hat der Drucksensor somit
jeweils eine bestmögliche
Auflösung.
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In
der
US 6,374,817 B1 wird
zur Erhöhung der
Auflösung
eines Sauerstoffsensors eines Fahrzeugabgassignals der begrenzte
Ausgangsbereich des Sauerstoffsensors auf den vollen Spannungspegelbereich
eines Analog-Digital-Umsetzers erweitert, d.h. umgesetzt.
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Beispielsweise
liefern Zylinderdrucksensoren wertvolle Daten über die Verbrennung in Brennkraftmaschinen.
Aus ihrem jeweiligen Druckverlauf können z.B. die zeitlich umgesetzte
Energiemenge sowie der Verbrennungsschwerpunkt eines Verbrennungsmotors
bestimmt werden. Auch für
Kreisprozessrechnungen des Verbrennungsprozesses des jeweiligen
Verbrennungsmotors bildet der Zylinderdruck neben dem Kurbelwellenwinkel
des Verbrennungsmotors eine zentrale Eingangsgröße. Zum Beispiel bei 4-Takt
Brennkraftmaschinen unterteilt sich der Verbrennungs-/Kreisprozess
in eine Hoch-/und eine
Niederdruckschleife. Dies veranschaulicht schematisch das p-V(Druck/Volumen)
Diagramm von 2. Dort sind die Hochdruckschleife
mit AS sowie die Niederdruckschleife mit LWS bezeichnet. Die Hochdruckschleife
AS setzt sich aus einer Arbeitskurve K1 für die Expansions- bzw. Verbrennungsphase
des Kreisprozesses sowie einer Teilkurve K2 zusammen, die die Kompressionsphase
des Kreisprozesses repräsentiert.
Die Teilkurve K3 der Niederdruckschleife LWS repräsentiert
die Ausstoßphase des
Kreisprozesses. Die Teilkurve K4 der Niederdruckschleife LWS beschreibt
das Verhalten der 4-Takt Verbrennungskraftmaschine während deren Ansaugtakts.
Die Hochdruckschleife AS und die Niederdruckschleife LWS unterscheiden
sich voneinander wesentlich im Druckniveau. Während die Niederdruckschleife
LWS in einem Druckbereich von etwa 1 bar liegt, kann die Hochdruckschleife
AS im Extremfall bis auf dreistellige Zahlenwerte für den Druck
p gehen. Genau hierin liegt ein messtechnisches Problem. Ausgeführt als
Analogsensoren liefern Drucksensoren ein der physikalischen Größe, d.h.
dem Druck proportionales elektrisches Signal. Dieses elektrische
Signal wird von einer Elektronik (insbesondere einem Messwandler)
in ein Spannungssignal umgewandet und ggf. verstärkt. Das
jeweils vom Drucksensor ausgegebene Spannungssignal liegt dann innerhalb
eines typischen Sensorausgangsspannungsbereichs z.B. zwischen 0
und 5 Volt. Dieses Spannungssignal wird vom Drucksensor zum Motorsteuergerät geführt und
dort von einem A/D-Wandler (Analog-Digital-Wandler) prozessorgerecht
aufgearbeitet. Üblicherweise
werden 8, 10 oder 12 Bit Wandler je nach Genauigkeitsanforderung
eingesetzt. Höher
auflösende
Wandler werden aus EMV (elektromagnetische Verträglichkeit)-Gründen in
der Automobiltechnik kaum eingesetzt. Da der jeweilige Drucksensor
zweckmäßigerweise
auf einen Druckbereich ausgelegt wird, der im jeweiligen Zylinder
des Verbrennungsmotors maximal auftreten kann, können niedrige Druckwerte nur
grob wiedergegeben werden, obwohl vom Sensorelement des Drucksensors
eine höhere
Auflösung
bereitgestellt werden könnte.
Beispielsweise ergibt sich bei einem A/D-Wandler von 8 Bit, der
damit 256 Messpunkte darstellen kann, und einem Ausgangsspannungsbereich
für den
Drucksensor zwischen 0 und 5 Volt eine Auflösung von 5 Volt/256 = 19 mV.
Demgegenüber weist
das Sensorelement des Drucksensors eine physikalisch kleinste Auflösung von
beispielsweise etwa 1 mV auf. Dies bedeutet, dass die Ausgangssignale
des Drucksensors aufgrund der geringen Anzahl von Messpunkten bei
der A/D-Wandlung erst ab 19 mV erfasst bzw. registriert werden können. Der darunter
liegende Messbereich von 0 bis 18 mV des Drucksensors – was theoretisch
19 Messwerten des Sensorelements des Drucksensors entspricht – bleibt trotz
höherer
Auflösung
des Sensorelements hingegen ungenutzt und kann nicht erfasst werden.
Mit anderen Worten ausgedrückt
geht damit eine zu geringe Auflösung
für das
Ausgangssignal des Zylinderdrucksensors einher.
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Eine
triviale Möglichkeit,
die A/D-Wandlung zu verbessern, wäre, anstelle eines 8 Bit Wandlers
einen 10 Bit Wandler einzusetzen, d.h. allgemein ausgedrückt einen
A/D-Wandler mit mehr Bit Umsetzung zu verwenden. Diesen Maßnahmen
sind jedoch in der Automobiltechnik – wie weiter oben bereits beschrieben – klare
Einsatzgrenzen vorgegeben. Eine andere Möglichkeit bestände darin,
den Gesamtmessbereich z.B. in einen Niederdruck- und einen Hochdruckbereich
aufzuspalten. Beispielsweise könnte
der Ausgangsspannung des Drucksensors zwischen 0 und 5 Volt ein
erster Messbereich zwischen 0 und 2 bar sowie ein zweiter Messbereich zwischen
2 und 100 bar für
den Druck im jeweiligen Zylinder zugeordnet werden. Welcher Messbereich gerade
aktiv ist, müsste
dann dem Drucksensor durch ein Steuersignal aus der Motorsteuerung
bzw. dem Motorsteuergerät
mitgeteilt werden. Alternativ dazu könnte der Drucksensor auch selbstständig zwischen
seinen verschiedenen Messbereichen umschalten und den jeweils aktivierten
Messbereich der Motorsteuerung mittels einer extra Steuerleitung
mitteilen. Dies wäre
jedoch unter manchen praktischen Gegebenheiten der Motorentechnik
hinsichtlich des Signalisierungsaufwands zwischen dem Verbrennungsmotor
und der Motorsteuerung bzw. dem Steuergerät zu aufwendig. Solche Auflösungs- bzw.
Genauigkeitsprobleme treffen ggf. auch für andere Messsensoren zu, die
für den
Verbrennungsprozess eines Verbrennungsmotors vorgesehen sind.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg aufzuzeigen, wie
die an für
sich hohe Auflösung
des Sensorelements eines Messsensors trotz unzureichender A/D-Wandlung seines Ausgangssignals
in einfacher Weise verbessert genutzt werden kann. Diese Aufgabe
wird durch die Schritte des folgenden erfindungsgemäßen Verfahrens
gelöst:
Verfahren
zur Erhöhung
der Auflösung
von Ausgangssignalen mindestens eines Messsensors für einen
Verbrennungsmotor, indem der Arbeitspegelbereich des Messsensors,
innerhalb dem die Pegelwerte dessen Sensorrohsignals liegen, in
mindestens zwei Messbereichsabschnitte unterteilt wird, indem jedem
Messbereichsabschnitt derselbe vorgegebene, gegenüber dem
Arbeitspegelbereich begrenzte Ausgangspegelbereich des Ausgangssignals
des Messsensors zugeordnet wird, und wobei die Umschaltung von einem
zum anderen Messbereichsabschnitt selbstständig vom Messsensor durchgeführt wird,
wenn eine Messbereichsgrenze zwischen je zwei benachbarten Messbereichsabschnitten
erreicht oder über-
oder unterschritten wird, indem mittels einer Motorsteuerung der
Betriebspunkt des Verbrennungsmotors aufgrund von mindestens einem Betriebsparameter
für dessen
Verbrennungsprozess ermittelt wird, indem aus mindestens einer Kennfeldinformation
für den
aktuell ermittelten Betriebspunkt der zeitliche Verlauf des Sensorrohsignals
des Messsensors prädiziert
wird, und
indem von der Motorsteuerung aufgrund dieses prädizierten
zeitlichen Sensorrohsignalverlaufs ermittelt wird, welcher Messbereichsabschnitt
des Messsensors aktuell aktiviert ist.
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Dadurch
können
aufwendige Steuerleitungen zwischen dem Steuergerät und dem
jeweiligen Messsensor entfallen, die ansonsten für die Mitteilung von Informationen über die
Umschaltung zwischen den verschiedenen Messbereichsabschnitten erforderlich
wären.
Es ist somit nicht notwendig, dass Messbereichsabschnitts- Informationen
zwischen dem Messsensor und dem Steuergerät übertragen werden. Somit ist
keine zusätzliche
Signalgenerierung oder – Übertragung über zusätzliche
Signalleitungen notwendig. Dies macht die Ermittlung des tatsächlichen
Sensorrohsignalverlaufs einfach und effizient, was insbesondere
bei der Auswertung von Zylinderdrucksignalen vorteilhaft ist. Weiterhin
wird gegenüber
dem Fall ohne Messbereichsaufteilung in vorteilhafter Weise nun
die Auflösung,
mit der das Ausgangssignal des Messsensors erfasst und verarbeitet,
sowie damit einhergehend die Signalgenauigkeit gesteigert werden
kann, soweit erhöht,
dass insbesondere im wesentlichen die Signalgenauigkeit erreicht
wird wie im Fall mit ein oder mehreren zusätzlichen Signalisierungsleitungen
zwischen dem Steuergerät
und dem Messsensor.
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Die
Erfindung betrifft auch ein Steuergerät mit mindestens einer Berechnungseinheit
gemäß den Merkmalen
von Anspruch 9.
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Sonstige
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.
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Die
Erfindung und ihre Weiterbildungen werden nachfolgend anhand von
Zeichnungen näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 in
schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur
Erhöhung
der Auflösung,
mit der der tatsächliche Zylinderdruckverlauf
in einem Zylinder eines Verbrennungsmotors mittels eines Zylinderdrucksensors erfasst
werden kann,
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2 in
schematischer Darstellung beispielhaft ein p-V-Diagramm für den Kreisprozess
eines 4-Takt- Verbrennungsmotors, und
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3 in
schematischer Darstellung einen pegelbegrenzten Signalverlauf des
Ausgangssignals des Zylinderdrucksensors von 1 zusammen
mit dem nach dem Ausführungsbeispiel
von 1 ermittelten, d.h. rekonstruierten Zylinderdruckverlauf
in Abhängigkeit
vom Kurbelwellenwinkel des Verbrennungsmotors.
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Elemente
mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1 mit
3 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Die 1 zeigt
in schematischer Darstellung vorteilhafte Steuerungsschritte der
Berechnungseinheit CU eines Motorsteuergeräts ECU für einen Verbrennungsmotor CE,
um das Zylinderdrucksignal eines Zylinderdrucksensors DS nach dem
erfindungsgemäßen Prinzip
mit verbesserter Auflösung,
d.h. genauer erfassen zu können.
Der Zylinderdrucksensor DS sitzt hierbei insbesondere am Zylinderkopf
eines Zylinders CY des Verbrennungsmotors CE. Er weist ein Sensorelement
SE auf, das der Detektion des Innendrucks im Brennraum des Zylinders
CY dient. Es ist vorzugsweise als Analogbauteil ausgebildet und
erzeugt im Schritt S7 ein Sensorrohsignal ZS, das für den jeweilig
vorliegenden Druck im Innenraum des Zylinders CY während des
zyklischen Verbrennungs-Kreisprozesses des Verbrennungsmotors CE
repräsentativ
ist. Ihm ist eine Auswerte-/Logikeinheit LE zur Weiterverarbeitung
des Sensorrohsignals ZS zugeordnet. Sie ist vorzugsweise Bestandteil
des Zylinderdrucksensors DS. Alternativ kann sie ggf. auch als separate
Komponente vorgesehen sein. In der 1 ist sie
zur besseren Veranschaulichung ihrer Funktionalität als Detail
gesondert vom Sensorelement SE des Druckssensors DS dargestellt.
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Die
Auswerte-/Logikeinheit LE des Zylinderdrucksensors DS unterteilt
das Sensorrohsignal ZS im Prozessschritt S8 zur Erhöhung dessen
Auflösung für eine nachfolgende
A/D-Wandlung in mindestens zwei Messbereichsabschnitte. Hier im
Ausführungsbeispiel
von 1 gibt die Auswerte-/Logikeinheit LE insbesondere drei Messbereichsabschnitte
A, B, C vor. Diese Messbereichsaufteilung für das Sensorrohsignal ZS dient
zur Skalierung dessen Pegels auf einen reduzierten bzw. limitierten
Pegelbereich, d.h. es wird eine Pegelbegrenzung vorgenommen. Hier im
Ausführungsbeispiel
erzeugt das Sensorelement SE des Zylinderdrucksensors DS als Sensorrohsignal
ZS ein elektrisches Spannungssignal, dessen Spannungspegelbereich
für jeden
Messbereichsabschnitt A, B, C beispielsweise auf Spannungswerte zwischen
0 und 5 Volt begrenzt wird. Der Zylinderdrucksensor DS liefert somit
ein dem Innendruck des Zylinders CY zugeordnetes, insbesondere im wesentlichen
proportionales, elektrisches Signal als Sensorrohsignal ZS, das
von der Auswerte-/Logikeinheit LE, insbesondere einer Auswerteelektronik wie
zum Beispiel einem Messwandler, in ein Spannungssignal SV umgewandelt
und dabei ggf. verstärkt
wird. Dieses Spannungssignal SV wird durch Aufteilung in die verschiedenen
Messbereichsabschnitte wie z.B. A, B, C skaliert, d.h. sein ursprünglicher
Dynamikbereich wird auf einen festgelegten Spannungspegelbereich
begrenzt. Jedem Messbereichsabschnitt A, B, C ist dabei bezogen
auf einen Referenzwert wie z.B. 0 V ein charakteristischer Skalierungsfaktor
oder ein „Offset" zugeordnet, durch den
er auf den vorgegeben begrenzten Pegelbereich transferiert werden
kann. Auf diese Weise steht am Ausgang des Zylinderdrucksensors
DS ein modifiziertes Ausgangssensorssignal BSV im Schritt S9 bereit,
das für
die verschiedenen vorgegebenen Messbereichsabschnitte A, B, C jeweils
auf denselben Ausgangsspannungspegelbereich, hier zwischen 0V und
5V, abgebildet worden ist. Im Ausführungsbeispiel von 1 ist
beim Schritt S9 ein beispielhafter zeitlicher Verlauf der Ausgangsspannung U
des modifizierten Sensorausgangssignal BSV in Abhängigkeit
von der Zeit t abgebildet. Jedem Messbereichsabschnitt A, B, C ist
derselbe Ausgangsspannungspegelbereich zwischen 0 und 5 V (Volt) zugeordnet.
Mit anderen Worten ausgedrückt
heißt das,
dass die verschiedenen Messbereichsabschnitte A, B, C des ursprünglichen
Sensorrohsignal ZS auf ein und denselben vorgegebenen Pegeldynamikbereich
für das
Sensorausgangssignal SS umgesetzt worden sind. Auf diese Weise weist
das Sensorausgangssignal SS im Ist-Pfad IP des Zylinderdrucksensors
DS einen Pegeldynamikbereich auf, der gegenüber dem des ursprünglichen
Sensorrohsignals ZS reduziert ist.
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Dieses
Sensorausgangssignal SS wird über eine
Messleitung SL an das Motorsteuergerät ECU übertragen. Dort wird es mit
Hilfe eines A/D-Wandlers ADC digitalisiert. Als A/D-Wandler wird
hier im Ausführungsbeispiel
vorzugsweise ein 8 Bit Wandler verwendet.
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In
analoger Weise kann eine entsprechende Messbereichsabschnittsaufteilung
vorgenommen werden, wenn die Auswerte-/Logikeinheit LE anstelle einer
elektrischen Spannung alternativ dazu einen elektrischen Strom als
Maß für den vom
Sensorelement SE gemessenen Innendruck im Brennraum des Zylinders
CY ausgibt.
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Damit
nun das Motorsteuergerät
ECU aus dem zeitlichen Verlauf des empfangenen, pegelbegrenzten
Sensorausgangssignals SS den tatsächlichen zeitlichen Verlauf
des Sensorrohsignals ZS und damit des tatsächlichen Drucks im Zylinder
CY während
dessen Verbrennungs-Kreisprozesses rekonstruieren kann, wird vom
Motorsteuergerät
ECU ein erwarteter zeitlicher Zylinderdruckverlauf EPD im Soll-Pfad
SP geschätzt.
Dazu wird für
den Zylinder CY der momentane Betriebspunkt BP seines Verbrennungs-Kreisprozesses
bestimmt. Dies wird in der 1 im Prozessschritt
S3 durchgeführt.
Dazu zieht das Motorsteuergerät
ECU einen oder mehrere verschiedene Betriebsparameter des Verbrennungsmotors
CE heran. Insbesondere legen dabei die Drehzahl N der Kurbelwelle
des Verbrennungsmotors CE sowie der Stellwinkel TPS dessen Drosselklappe
den aktuellen Betriebspunkt BP für
den zyklischen Verbrennungsprozess fest. Mit anderen Worten ausgedrückt lässt sich
aufgrund dieser Betriebsparameter ermitteln, an welchem Arbeitspunkt
des p-V (Druck/Volumen)-Diagramms
von 2 sich der Zylinder CY momentan befindet. Weitere
zweckmäßige Betriebsparameter
des Verbrennungsmotors CE zur Ermittlung des aktuellen Betriebspunkts
BP für
den Zylinder CY können
insbesondere ein oder mehrere Parameter folgender Kenngrößen sein,
die den Verbrennungsprozess des Zylinders CY in charakteristischer
Weise beeinflussen: Zündwinkelstellung
IGA, Einlassnockenwellenstellung CAM_IN, Auslassnockenwellenstellung
CAM_EX, Saugrohrdruck MAP, Luftmasse MAF im Saugrohr des Verbrennungsmotors
CE, indiziertes Motordrehmoment TQI, Einspritzzeit TI, Startzeitpunkt
der jeweiligen Einspritzung SOI, Kühlmitteltemperatur TCO, Ansauglufttemperatur
TIA, Lambdawert LAM, Abgasgegendruck P_EX, Ventilhub, Ventilöffnungsdauer,
Profil der jeweiligen Ventilöffnung
des jeweiligen Ventils am Zylinder CY.
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Diese
Betriebsparameter stehen im Ausführungsbeispiel
von 1 der Berechnungseinheit CU als Eingangssignale
S1 zur Verfügung.
Zugleich wird entsprechend einem Abfrageschritt S2 noch berücksichtigt,
welcher Verbrennungsmodus derzeit vorliegt. So wird hier insbesondere
zwischen Fremdzündbetrieb
SI („spark
ignition"), Selbstzündungsbetrieb
CAI („controlled
auto ignition")
und Magerbetrieb unterschieden.
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Mit
Hilfe des aktuell ermittelten Betriebspunkts BP des Verbrennungsmotors
CE wird nun im Steuerschritt S4 auf der Basis einer abgespeicherten Kennfeldinformation
KI der zeitliche Druckverlauf im jeweiligen Zylinder CY prädiziert.
Die Kennfeldinformation KI enthält
für eine
Vielzahl von verschiedenen Betriebspunkten Kennfelder, die vorzugsweise
in Abhängigkeit
von der jeweiligen Kurbelwellendrehzahl N und dem jeweiligen Drosselklappenwinkel
TPS einen Druckverlauf in Abhängigkeit
vom Kurbelwellenwinkel angeben. Dabei lässt sich der Kurbelwellenwinkel
auf den zeitlichen Verlauf t des Drucks p im Zylinder CY abbilden.
Es ergibt sich somit für
den aktuell bestimmten Betriebspunkt BP ein geschätzter Druckverlauf
EPD, der den funktionalen Zusammenhang zwischen den Pegelwerten
eines erwarteten Innendrucks p im Zylinder CY in Abhängigkeit
von der Zeit t wiedergibt. In der 1 ist für den geschätzten Zylinderdruckverlauf
EPD in einem p/t (Druck/Zeit)-Diagramm eine Erwartungskurve schematisch
und beispielhaft eingezeichnet. Das prädizierte bzw. geschätzte Zylinderdrucksignal
EPD wird hinsichtlich seiner Pegeldynamik durch Schwellen G1, G2
auf dieselben Pegelmessbereiche A*, B*, C* unterteilt, wie dies
unabhängig
hiervon, d.h. selbstständig
von der Auswerte-/Logikeinheit LE des Zylinderdrucksensors DS hinsichtlich
der Messbereichsabschnitte A, B, C durchgeführt wird. Mit anderen Worten
ausgedrückt
werden für
den prädizierten Druckverlauf
EPD verschiedene Pegelschwellen G1, G2 so festgelegt, dass durch
sie die drei Pegelbereiche A*, B*, C* voneinander separat gebildet
sind. Dies wird im Schritt S5 von 1 durchgeführt. Der Schnittpunkt
zwischen der jeweiligen Schwelle und dem prädizierten Druckverlauf EPD
für den
geschätzten
Innendruck p legt nun jeweils eine Zeitspanne fest, die in eindeutiger
Weise das Vorhandensein eines bestimmten Messbereichsabschnitts A,
B, C in der Logik-/Auswerteeinheit
LE des Zylinderdrucksensors DS indiziert. Beispielsweise ist dem niedrigsten
Pegelmessbereich A* die Zeitspanne zwischen t0=0 sec und dem Zeitpunkt
tB1 zugeordnet, zu dem die erste Schwelle G1 den ansteigenden Ast
der geschätzten
Druckverlaufskurve EPD schneidet. Diese Zeitspanne t0 bis tB1 kennzeichnet
dann das Vorliegen des ersten Messbereichsabschnitts A auf der Sensorseite.
Den Pegelwerten des ansteigenden Astes des prädizierten Druckverlaufs EPD
im Pegelbereichabschnitt bzw. in der Pegelmesszone B* ist in eindeutiger
Weise die Zeitspanne zwischen den Zeitpunkten tB1 und tC1 als Gültigkeitszeitdauer zugeordnet.
Sie indiziert das Vorliegen des zweiten Messbereichsabschnitts B
auf der Sensorseite. Der Zeitpunkt tC1 markiert dabei den Schnittpunkt
der zweiten, höheren
Schwelle G2 mit der geschätzten Druckverlaufskurve
EPD. Der Beginn des Skalierungsbereichs C* ist somit dem Zeitpunkt
tC1 zugeordnet. Der Pegelbereichsabschnitt C* endet schließlich zum
Zeitpunkt tC1*, zu dem die obere Schwelle G2 die absteigende Flanke
des geschätzten
Druckverlaufssignals EPD schneidet. Die Zeitspanne zwischen den
Zeitpunkten tC1 und tC1* indiziert das Vorhandensein des dritten
Messbereichsabschnitts C auf der Sensorseite. Diese Zuordnung zwischen den
Skalierungszonen A*, B*, C* und den Zeitspannen für ihre Gültigkeitsdauern
gilt in entsprechender Weise für
die absteigende Flanke des prädizierten Zylinderdrucksignals
EPD. So legt der Zeitpunkt tC1* den Beginn der zweiten Skalierungszone
B* fest. Der Zeitpunkt tB1* charakterisiert den Wechsel von der Skalierungszone
B* zur Skalierungszone A*. Im Einzelnen repräsentiert hier im Ausführungsbeispiel
die Skalierungszone A* die niedrigsten Pegelwerte p des prädizierten
Druckverlaufs EPD zwischen 0 und 3 bar. Die zweite Skalierungszone
B* charakterisiert mittlere Pegelwerte p des präzidierten Druckverlaufs EPD
zwischen 3 und 20 bar. Die dritte Skalierungszone C* steht für die höchsten Pegelwerte
p des prädizierten
Zylinderdruckverlaufs EPD oberhalb von 20 bar.
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Indem
der prädizierte
Zylinderdruckverlauf EPD im Steuergerät CU durch dieselben Pegelschwellen
G1, G2 wie auf der Sensorseite in Pegelmessbereiche bzw. Skalierungszonen
A*, B*, C* unterteilt wird und diesen Skalierungszonen A*, B*, C* Gültigkeits-Zeitdauern
oder korrespondierend hierzu Kurbelwinkelbereiche zugeordnet werden,
ist es nun ermöglicht,
für das
jeweilige durch Pegelreduktion modifizierte Ausgangssignal SS des
Zylinderdrucksensors DS dessen zugehörige, aktive Skalierungszone
A, B, C im Steuergerät
CU zu identifizieren. Dadurch ist es ermöglicht, aus den Pegelwerten
U des gemessenen, pegelbegrenzten Sensorausgangssignals SS durch
die richtige zeitliche Zuordnung desjenigen Messbereichabschnitts
bzw. derjenigen Skalierungszone A, B, C, mit der das Sensorrohsignal
ZS ursprünglich
sensorseitig im Ist-Pfad IP pegelreduziert worden ist, durch Inversion
der jeweiligen Skalierung den tatsächlichen Pegelwert p* für den Zylinderinnendruck
zurückzugewinnen.
Dies wird in der 1 im Schritt S6 durchgeführt und
anhand eines p*/t(Duck/Zeit)-Diagramms im Schritt S10 veranschaulicht.
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Hier
im Ausführungsbeispiel
ist der Zeitspanne zwischen dem Zeitpunkt t0 und dem Zeitpunkt tB1 die
Skalierungszone A zugeordnet. Dies bedeutet, dass während dieser
Zeitspanne vom Zylinderdrucksensor DS ein Ausgangssignal SS geliefert
wird, das mit dem Skalierungsfaktor, insbesondere „Offset", dieser Pegelzone
A beaufschlagt ist. Durch diesen Zusammenhang ist es möglich, die
ursprüngliche Skalierung,
die die Auswerte-/Logikeinheit
LE des Zylinderdrucksensors DS durchgeführt hat, wieder umzukehren
bzw. zu invertieren und aus den Spannungswerten U, die sich im Zeitraum
zwischen t0 und tB1 für
das Sensorausgangssignal SS ergeben, Spannungswerte des ursprünglichen
Sensorrohsignal ZS zu rekonstruieren bzw. regenerieren. Diesen sind
dann korrespondierend dazu entsprechende Innendruckwerte p* im Brennraum
des Zylinders CY zugeordnet. In entsprechender Weise legt die Zeitspanne
zwischen den Zeitpunkten tB1 und tC1 die Gültigkeitsdauer, d.h. das Vorhandensein
von Spannungspegelwerten im pegelreduzierten Sensorausgangssignal
SS fest, die mit dem Skalierungsfaktor der zweiten Skalierungszone
B modifiziert worden sind. Es lässt
sich in entsprechender Weise die durchgeführten Skalierung herausrechnen,
d.h. die Pegelwerte p* des ursprünglichen
Sensorrohsignals ZS lassen sich zurückgewinnen, indem der Offset des
Messbereichsabschnitts B, den dieser gegenüber dem ersten Messbereichsabschnitt
A hat, zu den Spannungswerten U des Ausgangssignals SS hinzuaddiert
wird. Diese zurückgewonnenen
bzw. rekonstruierten Spannungspegelwerte korrespondieren mit Innendruck-Pegelwerten
p* im Zylinder CY. Die Zeitspanne zwischen den Zeitpunkten tC1 und
tC1* definiert schließlich
die Gültigkeitsdauer
für die
Skalierungszone C. Eine Rückgewinnung
der während
dieser Zeitspanne ausgegebenen Spannungswerte U des Sensorausgangssignals
SS ist dann durch Invertierung des Skalierungsfaktors für die Skalierungszone
C ermöglicht,
so dass ebenfalls die tatsächlichen Druckwerte
p* aus den übermittelten
Ausgangssignalwerten des pegelbegrenzten Ausgangssignals SS zurückgewonnen
werden können.
Insbesondere wird dazu der „Offset" des dritten Messbereichsabschnitts C,
den dieser gegenüber
dem ersten Messbereichsabschnitt A hat, zu den Spannungswerten U
des Ausgangssignals SS hinzuaddiert.
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Wird
im Schritt S6 festgestellt, dass der Anfangszeitpunkt oder der Endzeitpunkt
der jeweiligen Skalierungszone A, B, C des ausgegebenen Sensorsignals
SS von denen der Pegelbereichsabschnitte A*, B*, C* des prädizierten
Erwartungsdruckverlaufs EPD abweichen, d.h. ihre Gültigkeitszeitdauern
voneinander verschieden sind, so kann diese Information zur Adaption
der Kennfeldinformation KI herangezogen werden. Dies wird in der 1 im
Schritt S11 durchgeführt.
Beispielsweise kann der Beginn der Skalierungszone B des pegelbegrenzten
Ausgangssignals SS zum Zeitpunkt tB1** vom geschätzten Beginn tB1 der Skalierungszone
B* des prädizierten Druckverlaufs
EPD verschieden sein. Entsprechend kann sich eine Abweichung zwischen
dem Startzeitpunkt tC1** für
den dritten Messbereichsabschnitt C beim gemessenen, pegelbegrenzten
Sensorausgangssignal SS und dem geschätzten Startzeitpunkt tC1 beim
prädizierten
Druckverlauf EPD ergeben. Diese Differenz- bzw. Abweichungsinformation
wird dann im Schritt S11 dazu benutzt, die Kennfeldinformation KI
zu korrigieren, um für
die nächste
Betriebspunktermittlung einen zugehörigen erwarteten Druckverlauf
weitgehend fehlerkorrigiert ermitteln zu können.
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Die 3 zeigt
in vergrößerter Darstellung den
Spannungspegelverlauf U des Ausgangssignals SS in Abhängigkeit
vom Kurbelwellenwinkel KW. Dieser korrespondiert mit der Zeit t.
Für die
Pegelwerte U ist ein Pegelbegrenzungsbereich ASB zwischen 0 und
5 Volt vorgegeben. Dazu ist das ursprüngliche Sensorrohsignal ZS
in der Logik-/Auswerteeinheit
LE in die verschiedenen Messbereichsabschnitte A, B, C aufgeteilt
und von seinen Pegelwerten jeweils ein spezifischer „Offset", der jeden Messbereichsabschnitt
A, B, C in den gewünschten
Pegelbegrenzungsbereich ASB transferiert, abgezogen worden. Im unteren
Teil der 3 ist dem Pegelverlauf des pegelbegrenzten
Ausgangssignals SS in Abhängigkeit
vom Kurbelwellenwinkel KW der derart rekonstruierte Druckverlauf
PD in einem Druck/Kurbelwellenwinkel (p*/KW)-Diagramm zugeordnet.
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Alternativ
kann es ggf. vorteilhaft sein, den erwarteten Zylinderdruckverlauf
für den
jeweilig aktuellen Betriebspunkt ohne Kennfeldinformation direkt zu
berechnen. Dazu kann es beispielsweise zweckmäßig sein, den erwarteten zeitlichen
Druckverlauf unter Zugrundlegung einer polytropen Kompression bzw.
Expansion, mit p × V
n = konstant, wobei n ein sogenannter Polytropenexponenten
ist, abschnittsweise zu berechnen. Dazu ist insbesondere in der
nachveröffentlichten
DE 10 2005 009 104
B3 ein vorteilhaftes Berechnungsverfahren angegeben.
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Zusammenfassend
betrachtet ist es auf diese Weise zur Erhöhung der Sensorsignalauflösung und
damit Sensorsignalgenauigkeit nicht erforderlich, zusätzliche
Steuerleitungen zwischen dem Zylinderdrucksensor und dem Motorsteuergerät vorzusehen, was
ansonsten einen unerwünschten
Aufwand an Steuerinformations-Generierung, -Übertragung und -Verarbeitung
nach sich ziehen würde.
Anstelle dessen wird der Sensormessbereich des Zylinderdrucksensors
in mindestens zwei geeignete Einzelbereiche wie zum Beispiel einen
Hochdruck- und einen Niederdruckbereich aufgeteilt. Die Umschaltung
von einem zum anderen Messbereich erfolgt im Zylinderdrucksensor
selbst und zwar immer dann, wenn eine Messbereichsgrenze erreicht
bzw. über-
oder unterschritten wird. Beim Ausführungsbeispiel von 1 erfolgt
beispielsweise eine Messbereichsumschaltung von der Skalierungszone
A auf die Skalierungszone B bei 3 bar. Der Wechsel von der Skalierungszone
B auf die Skalierungszone C wird durch das Überschreiten einer Schwelle
bei 20 bar ausgelöst.
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Weiterhin
kann es vorteilhaft sein, beim Umschalten von einem Skalierungsbereich
auf einen benachbarten Skalierungsbereich eine bestimmte Hysterese
vorzusehen, um ein Jittern zwischen diesen beiden Messbereichen
zu verhindern, wenn der aktuelle Messwert des Ausgangssignals des
Zylinderdrucksensors auf der Grenze bzw. bei der Schwelle zwischen
diesen beiden Messbereichen liegt. Beispielsweise kann als Hysterese
bzw. Toleranzpegel ein Pegelwert von 0,2 bar vorgesehen sein. Das
bedeutet bezogen auf das obige Beispiel, dass bei steigendem Druck
die Umschaltung vom kleinsten Messbereich A zum nächst höheren Messbereich
B bei ca. 3,2 bar, das Zurückschalten
vom mittleren, zweiten Messbereich B zum kleinsten, ersten Messbereich
A bei fallendem Signalpegel des Ausgangssignals SS aber erst bei
2,8 bar erfolgt.
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Die
einzelnen Messbereiche und ihre jeweiligen Verstärkungsfaktoren und/oder Offsets
(oder auch komplette Sensorkennlinien) sind in der Motorsteuerung
(ECU) vorzugsweise in einem nichtflüchtigen Speicher abgelegt.
Welcher Messbereich gerade aktiv ist, entscheidet die Motorsteuerung
in vorteilhafter Weise aufgrund einer bestimmten Druckverlaufserwartungshaltung.
Abhängig
vom Motorbetriebspunkt, der z.B. durch die aktuelle Drehzahl der Kurbelwelle
des Verbrennungsmotors und der wirkenden Last, insbesondere der
Stellung der Drosselklappe im Saugrohr des Verbrennungsmotors gegeben
ist, und/oder von weiteren Betriebsparametern wie zum Beispiel Einspritztiming,
Zündwinkel,
Motorbetriebstemperatur etc. ergibt sich ein typischer Zylinderdruckverlauf.
Dieser Druckverlauf wird in der Motorsteuerung z.B. als Kennfeld über dem
Kurbelwellenwinkel abgelegt. Es ist aber auch ggf. zweckmäßig, dass
der geschätzte
Druckverlauf durch ein einfaches Berechungsverfahren z.B. unter
Zugrundlegung einer polytropen Kompression bzw. Expansion, bei der
p × Vn = konstant gilt, wobei n ein Polytropenexponent
ist, abschnittsweise berechnet wird. Selbstverständlich kann es in der Praxis
von Zyklus zu Zyklus des Verbrennungsprozesses zu Abweichungen kommen.
Daher ist es zweckmäßig, die
einzelnen Messbereiche wie zum Beispiel A, B, C so zu definieren,
dass die zu erwartenden Druckschwankungen innerhalb des jeweiligen
Messbereichs liegen. Die Motorsteuerung wählt dann entsprechend ihrer
Erwartung den jeweiligen Messbereich aus, erhält bei einem linearen Signalverlauf
Informationen über
Offset und/oder Verstärkung
und kann dem jeweiligen Sensorwert, der vom Zylinderdrucksensor ausgegeben
wird, einen pegelbegrenzten Druckwert zuordnen. Als Sensorwert kann
beispielsweise eine Spannung, ein elektrischer Strom, etc. dienen.
In einer besonders einfachen, zweckmäßigen Ausführungsvariante bei einem 4-Taktverfahren
eines Verbrennungsmotors werden die 720° Kurbelwellenwinkel in 2 × 360° Kurbelwellenwinkel
unterteilt. Dabei ist der Niederdruckbereich dem ersten 360° Kurbelwellenwinkelbereich
und der Hochdruckbereich dem zweiten 360° Kurbelwellenwinkelbereich zugeordnet. Abhängig von
der Kurbelwellenposition wird dann der entsprechende Messbereich
angewählt.
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Selbstverständlich lässt sich
das Verfahren in vorteilhafter Weise auch auf andere Sensorsignale als
Zylinderdrucksignale übertragen,
falls ein ausreichend gut prädizierbarer
Signalverlauf vorliegt.
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Beim
erfindungsgemäßen Vorgehen
zur Erhöhung
der Auflösung
der Sensorsignale ergibt sich in vorteilhafter Weise eine deutlich
effektivere Nutzung und Erhöhung
der Genauigkeit des Sensoranalogsignals. Der Signal-Rauschabstand
und die Auflösung
werden deutlich verbessert, so dass es erst dadurch ermöglicht ist,
auch physikalisch kleine Messbereiche genau oder überhaupt
erst zu erfassen. Zudem stellt das erfindungsgemäße Verfahren eine kostengünstige Lösung dar,
da es nicht erforderlich ist, Informationen zwischen dem Sensor
und dem Motorsteuergerät
zu übertragen,
wodurch keine zusätzliche
Signalgenerierung oder Übertragung
erforderlich wird. Alle nötigen
Informationen liegen in der Motorsteuerung bereits vor. Besonders
vorteilhaft ist das Verfahren dann, wenn das Sensorsignal zur Regelung
des Verbrennungsprozesses herangezogen wird. Das sogenannte CAI
(„controlled
auto ignition")-Verfahren
wird dadurch besser beherrschbar, da ein höher aufgelöstes Zylinderdrucksignal vorliegt, das
als Basisgröße für eine Verbrennungsprozessregelung
Eingang findet. Denn hier gilt es, sowohl den Niederdruck- als den
Hochdruckbereich möglichst genau
zu erfassen.