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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine
mit mehreren Zylindern nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Gegenstand
der Erfindung ist ferner ein Computerprogramm, eine Steuer- und/oder
Regeleinrichtung sowie eine Brennkraftmaschine nach den Oberbegriffen der
nebengeordneten Patentansprüche.
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Der
Druckverlauf spielt bei der Verbrennungssteuerung eine große
Rolle. Die
DE 102
27 279 A1 beschreibt eine Brennkraftmaschine, bei der einem
Zylinder ein Drucksensor zugeordnet ist, der den Druck in diesem
Zylinder (Leitzylinder) erfasst. Ferner verfügt die Brennkraftmaschine über
einen Körperschallsensor, der indirekt die Ermittlung der Druckänderungen
in den einzelnen Zylindern gestattet. Bei dem bekannten Verfahren
wird für den Leitzylinder die Übereinstimmung
des erfassten Brennraumdrucks mit dem aus dem Signal des Körperschallsensors
gewonnenen Brennraumdruck verifiziert. Ein weiteres Verfahren, welches
eine Driftkompensation eines Körperschallsensors anhand
des Signals eines Drucksensors beinhaltet, ist in der
DE 10 2005 039 757 A1 beschrieben.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten
Art zu schaffen, welches eine präzise zylinderindividuelle
Verbrennungsregelung bei gleichzeitig niedrigen Kosten ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst. Ferner wird die Aufgabe gelöst durch
ein Computerprogramm, eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung sowie
eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen der entsprechenden nebengeordneten
Patentansprüche. Weiterbildungen der Erfindung sind in
Unteransprüchen angegeben. Wichtige Merkmale der Erfindung
finden sich darüber hinaus in der nachfolgenden Beschreibung
und in der Zeichnung, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung
als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung
wesentlich sein können, ohne dass hierauf jeweils explizit
hingewiesen wird.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren bietet den Vorteil,
dass eine zylinderindividuelle Optimierung der Verbrennung möglich
ist, ohne dass es erforderlich ist, für jeden Zylinder
den Brennraumdruck direkt und individuell zu erfassen. Statt dessen
ist nur ein einziger Drucksensor für den Leitzylinder erforderlich,
wohingegen die anderen Zylinder anhand des Körperschallsignals
mindestens eines Körperschallsensors geregelt werden, der
vergleichsweise preiswert ist.
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Der
Grundgedanke ist, für den Leitzylinder voneinander unabhängig
die Verbrennung in dem Leitzylinder charakterisierende Signale zu
erfassen, wobei das eine Signal, nämlich das Drucksignal,
die Verbrennung unmittelbar charakterisiert, wohingegen das andere
Signal, nämlich das Körperschallsignal, die Verbrennung
mittelbar charakterisiert. Das Drucksignal wird dazu verwendet,
die Verbrennung in dem Leitzylinder zu optimieren, indem eine bestimmte
Regelgröße auf einen Sollwert eingeregelt wird.
Nun wird das Körperschallsignal für diesen Leitzylinder erfasst
und ein Wert einer aus dem Körperschallsignal gewonnene
Größe ermittelt, der für diese optimierte
Verbrennung im Leitzylinder gilt. Dann werden die anderen Zylinder
unter Verwendung der jeweiligen Körperschallsignale jeweils
so geregelt, dass man auch für diese anderen Zylinder einen
die Verbrennung charakterisierenden Wert der Körperschallgröße
erhält, der dem Wert entspricht, der für den verbrennungsoptimierten
Leitzylinder gewonnen wurde. Dies alles geschieht unabhängig
von Umgebungsparametern wie Atmosphärendruck, Cetanzahl,
Temperatur der Brennkraftmaschine, Luftmassentoleranzen, Einspritzmustern,
etc., auf der Basis der Relativwerte der Körperschallgrößen
für die einzelnen Zylinder. Die Absolutwerte der Verbrennungsparameter
werden dagegen mittels des Leitzylinders ermittelt bzw. geregelt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren hat besondere Vorteile
bei Diesel-Brennkraftmaschinen, bei denen zur Emissionsreduktion
sogenannte (teil)homogene Brennverfahren verwendet werden, welche
mit einer vergleichsweise hohen AGR-Rate (AGR=Abgasrückführung)
arbeiten. Diese führt allerdings aus konstruktiven Gründen
bereits bei stationärem Betrieb zu zylinderindividuell
unterschiedlichen Füllungszusammensetzungen (Inertgas/Frischluft) und
dadurch sowohl zu zylinderindividuell sehr unterschiedlich ablaufenden
Verbrennungen als auch – bedingt durch Fertigungstoleranzen
und Alterungserscheinungen des Einspritzsystems und der Brennkraftmaschine – über
die Lebensdauer zu starken Exemplarstreuungen. Dies würde,
ohne entsprechende Gegenmaßnahmen, zylinderindividuell
unterschiedliche Schadstoff- und Geräuschemissionen nach
sich ziehen, was unerwünscht ist und durch die vorliegende
Erfindung gemindert oder sogar vollständig verhindert wird.
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Als
Regelgröße, welche die Verbrennung in dem Leitzylinder
charakterisiert, kommt ein Verbrennungsschwerpunkt und/oder ein
inneres Drehmoment und/oder eine Brenndauer und/oder ein maximaler
Druckgradient in Frage. Anstelle des inneren Drehmoments kann auch
ein mittlerer indizierter Druck verwendet werden, der proportional
zum mittleren Drehmoment ist. Durch die letztgenannten beiden Regelgrößen
Brenndauer und Druckgradient kann der zylinderindividuelle Ablauf
der Verbrennung, der auch durch die "Härte" der Verbrennung charakterisiert
ist, besonders gut erfasst und geregelt werden. Alle genannten Regelgrößen
ermöglichen die Qualifizierung unterschiedlich ablaufender
Verbrennungen in den Zylindern und gestatten eine schnelle und wirkungsvolle
Optimierung der Verbrennung in den einzelnen Zylindern zur Schadstoff-
und Geräuschreduktion.
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Die
Stellgröße, durch die die Verbrennung eingeregelt
wird, ist vorteilhafterweise ein Ansteuerbeginn, eine Voreinspritzmenge
und/oder eine Gesamteinspritzmenge. Dabei erfolgt die Optimierung der
Verbrennung im Leitzylinder vorzugsweise durch eine Kombination
aller drei genannten Stellgrößen, wohingegen für
die Optimierung der Verbrennung in den anderen Zylindern vorzugsweise
nur der Ansteuerbeginn und die Voreinspritzmenge verwendet werden
(unter dem Begriff "Ansteuerbeginn" wird der Beginn des Öffnungssignals
verstanden, welches einem Injektor zugeführt wird; es beeinflusst
also letztlich den Zeitpunkt der Einspritzung des Kraftstoffs).
In diesem Zusammenhang sei noch auf Folgendes hingewiesen: Es versteht
sich, dass Mengentoleranzen bei den verschiedenen Einspritzungen,
die ein Drehmoment erzeugen, einen Einfluss auf den zylinderindividuellen
Ablauf der Verbrennung besitzen können. Daher ist es besonders
vorteilhaft, wenn das hier vorgestellte Verfahren in Kombination
mit üblichen Verfahren zur Nullmengenkalibrierung ("Zero
Fuel Calibration") und zur Mengenausgleichsregelung ("Fuel Balancing
Control") eingesetzt wird.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird vorgeschlagen, dass die Körperschallgröße
eine Signalenergie eines effektiven Körperschallsignals
ist, welches durch eine Verbrennung in dem betrachteten Zylinder
erzeugt wird, wobei die Signalenergie durch Integration des effektiven
Körperschallsignals gewonnen wird, welches gegebenenfalls
durch eine Bandpassfilterung, Gleichrichtung und Mittelung eines
Roh-Körperschallsignals erhalten wurde. Diese Signalenergie
stellt ein Merkmal dar, welches die Verbrennung in den Zylindern
gut charakterisiert, und welches durch einfache und übliche
Maßnahmen der Signalverarbeitung aufbereitet werden kann.
Dem liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass es eine eindeutige Korrelation
zwischen der Signalenergie und der bei einer Verbrennung in einem
Brennraum festgestellten maximalen Druckänderung, also
dem maximalen Druckgradienten gibt. Dabei versteht sich, dass alternativ
zu der vorgeschlagenen Mittelung des Roh-Körperschallsignals
das effektive Körperschallsignal auch durch das Bilden
einer Hüllkurve (Verbinden der Maxima) oder durch Tiefpassfilterung
aus dem Bandpass gefilterten, gleichgerichteten Körperschallsignal
gewonnen werden kann.
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In
einer Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dass das effektive
Körperschallsignal nur innerhalb eines Winkel- oder Zeitbereichs
integriert wird, der nach einem Ansteuerbeginn eines Injektors, der
den Kraftstoff in den betrachteten Zylinder einspritzt, liegt. Das
auf diese Weise definierte "Verbrennungsfenster", in welchem das
effektive Körperschallsignal integriert wird, wird also
gewissermaßen mit der Einspritzung verschoben beziehungsweise
ist auf die Einspritzung ausgerichtet und wird damit von Störeinkopplungen
durch den Einspritzvorgang, beispielsweise das Injektorgeräusch,
unabhängig gemacht. Auch wird eine Unabhängigkeit
von anderen Umweltparametern, welche das Körperschallsignal beeinflussen,
gewährleistet. Die Signifikanz des Körperschallsignals
wird hierdurch verbessert, was wiederum das Regelungsergebnis verbessert.
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Vorgeschlagen
wird ferner, dass das effektive Körperschallsignal und/oder
die Signalenergie einer Driftkorrektur unterzogen wird. Eine solche
Driftkorrektur berücksichtigt die Tatsache, dass übliche Körperschallsensoren
einer gewissen Lebensdauerdrift unterworfen sind. Die Driftkorrektur
kann einen multiplikativen und einen additiven Anteil enthalten: So
kann beispielsweise die Signalenergie in einem Fenster vor einer
Einspritzung beziehungsweise Verbrennung ermittelt und mit einem
zuvor, beispielsweise in einem Laborversuch ermittelten Referenzwert verglichen
werden. Der Quotient aus dem Referenzwert und dem über
eine gewisse Anzahl von Arbeitsspielen (beispielsweise drei bis
dreißig Arbeitsspiele) gemittelten Istwert der Signalenergie
ergibt einen multiplikativen Korrekturwert. In ähnlicher
Weise kann der Mittelwert des Körperschallsignals in einem Fenster
vor der Einspritzung beziehungsweise Verbrennung ermittelt und vom
effektiven Körperschallsignal subtrahiert werden, was einer
Offset-Korrektur entspricht.
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Besonders
vorteilhaft ist jene Variante des erfindungsgemäßen
Verfahrens, bei der für mindestens einen Betriebspunkt
ein Wert der Körperschallgröße für
den Leitzylinder, der die eingeregelte Verbrennung in dem Leitzylinder
charakterisiert, als Referenzwert abgespeichert wird, ein aktueller
und für den gleichen Betriebspunkt erhaltener Wert mit
dem Referenzwert verglichen wird, und abhängig vom Ergebnis
des Vergleichs eine Aktion durchgeführt wird. Damit lässt
sich ein Verschleiß beispielsweise eines Injektors, ein
undichtes Einlass- oder Auslassventil, oder ähnliches erkennen.
Dies insbesondere dann, wenn eine Änderung von Umgebungsparametern, beispielsweise
Luftmasse, Lufttemperatur, oder Luftdruck, bekannt ist und diese Änderung
als Ursache für eine Differenz zwischen dem Referenzwert
und dem aktuellen Wert ausgeschlossen werden kann. Auch könnte
aus einer solchen Differenz auf eine Änderung des Energiegehalts
des Kraftstoffs geschlossen werden. Eine solche Änderung
kann beispielsweise durch eine andere Kraftstoffzusammensetzung
(bspw. Beimischung von Biodiesel) verursacht werden.
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In
Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dass aus einer Abweichung
des aktuellen Werts vom Referenzwert dann, wenn diese Abweichung
nach einem Tankvorgang festgestellt wird, auf eine Änderung
der Cetanzahl des Kraftstoffs geschlossen wird. Bei dieser Variante
des erfindungsgemäßen Verfahrens wird also wiederum
zunächst die Verbrennung des Leitzylinders in gewünschter
Weise eingeregelt und dann die Körperschall-Signalenergie
für diesen Leitzylinder betrachtet. Ändert sich
die Differenz zwischen dem Referenzwert und dem aktuellen Wert sprunghaft
unmittelbar nach einem Tankvorgang, ist die Annahme besonders gerechtfertigt,
dass dies auf eine geänderte Cetanzahl des verwendeten
Kraftstoffs zurückzuführen ist. Das erfindungsgemäße Verfahren
gestattet also eine solche Erkennung der Cetanzahl des Kraftstoffs,
welche einer direkten Messung in der Regel nicht zugänglich
ist. Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet
mindestens eine Klassifizierung der Cetanzahl (beispielsweise geringe,
mittlere oder hohe Cetanzahl). Anhand dieser aktuellen Klassifikation
der Cetanzahl wird die Ansteuerung des Einspritz- beziehungsweise
Luftsystems entsprechend korrigiert, beispielsweise durch eine simultane
Verschiebung der Einspritzungen nach Früh, durch eine erhöhte
Einspritzmenge der Voreinspritzung, oder durch eine Reduzierung
der AGR-Rate beziehungsweise Erhöhung der Luftmasse bei
geringer Cetanzahl. Diese Korrekturen finden im gesteuerten Betrieb
für alle Zylinder gleichermaßen Anwendung.
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Eine
weitere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens
sieht vor, dass der Verlauf der Signalenergie auf ihren Maximalwert
normiert wird, und dass anhand des normierten Verlaufs der Signalenergie
ein Kurbelwinkel, der einem bestimmten relativen Energieumsatz bei
der Verbrennung in dem betrachteten Zylinder entspricht, ermittelt
wird. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn, wie oben bereits beschrieben
wurde, die Integration erst ab dem Einsetzen der Verbrennung (Verbrennungsfenster) durchgeführt
wird und mindestens die oben beschriebene Offset-Korrektur des Körperschallverlaufs durchgeführt
wird. Auf diese Weise lässt sich ein bestimmter Umsatzpunkt
der Kraftstoffverbrennung besonders präzise ermitteln,
der eine wichtige Größe bei der Qualifizierung
einer Verbrennung in einem Brennraum darstellt.
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Möglich
ist ferner, dass das effektive Körperschallsignal differenziert
wird, und dass anhand des Verlaufs des differenzierten effektiven
Körperschallsignals ein Kurbelwinkel, der einem maximalen
Energieumsatz bei der Verbrennung in dem betrachteten Zylinder entspricht,
und/oder ein den Energieumsatz charakterisierender Wert ermittelt
wird. Der maximale Energieumsatz ergibt sich aus dem maximalen Gradienten
des differenzierten effektiven Körperschallsignals. Lage
und Wert sind wichtige Parameter, mit denen die Verbrennung in einem
Zylinder charakterisiert werden kann. Dabei kann vor oder nach dem Differenzieren
des effektiven Körperschallsignals dieses mit einem Moving-Average-Filter
phasenneutral geglättet werden. Ferner bietet es sich an,
wie auch bei vorhergehenden Weiterbildungen, die Suche nach dem
maximalen Gradienten auf das Verbrennungsfenster einzuschränken.
Eine einfache Möglichkeit, die Lage des maximalen Gradienten
präzise zu bestimmen, bietet sich dann, wenn nach Bestimmung
einer groben Winkellage mittels eines Ansatzes über die
Methode der kleinsten Fehlerquadrate eine parabelförmige
Kurve in der Umgebung der groben Maximumslage bestimmt und die Maximumsbestimmung
(Winkel und Wert) auf Basis der parabelförmigen Kurve durchgeführt
wird. Auf diese Weise kann die Auflösung erhöht
werden und Signalstreuungen werden unterdrückt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend
wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung
näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern,
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2 ein
Diagramm, in dem ein Ansteuersignal eines Injektors der Brennkraftmaschine
von 1 über einem Kurbelwinkel aufgetragen
ist;
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3 ein
Diagramm, in dem ein Druck in einem Leitzylinder der Brennkraftmaschine
von 1 bei verschiedenen Luftmassen über dem
Kurbelwinkel aufgetragen ist;
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4 ein
Diagramm, in dem der aus 3 ermittelte Druckgradient über
dem Kurbelwinkel aufgetragen ist;
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5 ein
Diagramm, in dem ein zu den Diagrammen 2 bis 4 gehörendes
effektives Körperschallsignal über dem Kurbelwinkel
aufgetragen ist;
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6 ein
Diagramm, in dem eine Signalenergie des Körperschallsignals
von 5 über dem maximalen Druckgradienten
entsprechend 4 aufgetragen ist;
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7 ein
Blockschaltbild eines ersten Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschine
von 1;
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8 ein
Blockschaltbild eines zweiten Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschine
von 1;
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9 ein
Diagramm, in dem ein Heizverlauf bei verschiedenen Luftmassen über
dem Kurbelwinkel aufgetragen ist;
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10 ein
Diagramm, in dem die zu den Kurven von 9 gehörenden
Druckgradienten über dem Kurbelwinkel aufgetragen sind;
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11 ein
Diagramm, in dem die zu den Kurven von 9 gehörenden
effektiven Körperschallsignale über dem Kurbelwinkel
aufgetragen sind;
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12 ein
Diagramm, in dem die zu den Kurven von 11 gehörenden
integrierten Signalenergien über dem Kurbelwinkel aufgetragen
sind; und
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13 ein
Diagramm, in dem die zu den Kurven von 11 gehörenden
Steigungen über dem Kurbelwinkel aufgetragen sind.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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Eine
Diesel-Brennkraftmaschine trägt in 1 insgesamt
das Bezugszeichen 10. Sie umfasst vier Zylinder 12a bis
d mit Brennräumen 14a bis d. Kraftstoff gelangt
in die Brennräume 14a bis d direkt durch zugeordnete
Injektoren 16a bis d. Verbrennungsluft gelangt in die Brennräume 14a bis
d durch ein Saugrohr 18, Abgase werden durch ein Abgasrohr 20 abgeleitet.
Abgasrohr 20 und Saugrohr 18 sind durch eine Abgas-Rückführleitung 22 verbindbar,
in der ein Abgasrückführventil 24 angeordnet
ist. Die Injektoren 16a bis d sind an einen Druckspeicher ("Rail") 26 angeschlossen,
dessen Druck durch eine Druckbeeinflussungseinrichtung 28 beeinflusst
werden kann. Im Betrieb der Brennkraftmaschine 10 wird eine
Kurbelwelle 30 in Drehung versetzt, deren Drehzahl zeitlich
hoch aufgelöst durch einen Drehzahlsensor 32 erfasst
wird. Die durch das Ansaugrohr 18 einströmende
Luftmasse wird von einem HFM-Sensor 34 erfasst.
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Der
Betrieb der Brennkraftmaschine 10 wird von einer Steuer-
und Regeleinrichtung 36 gesteuert und geregelt. Diese steuert
unter anderem die Injektoren 16a bis d, die Druckbeeinflussungseinrichtung 28 und
das Abgasrückführventil 24 an. Signale
erhält die Steuer- und Regeleinrichtung 36 unter
anderem vom HFM-Sensor 34, von einem Drucksensor 38,
der den im Brennraum 14a herrschenden Druck erfasst, und
von zwei Körperschallsensoren 14a und 14b,
die zwischen den Zylindern 12a und 12b beziehungsweise 12c und 12d angeordnet
sind. Da dem Brennraum 14a beziehungsweise dem Zylinder 12a ein
Drucksensor unmittelbar zugeordnet ist, wird, weiter unten noch
im Detail erläutert werden wird, dieser Zylinder 12a auch
als Leitzylinder bezeichnet.
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Unter
Bezugnahme auf die 2 bis 5 wird nun
der Einfluss unterschiedlicher Luftfüllungen im Brennraum 14a des
Leitzylinders 12a auf eine dort ablaufende Verbrennung
bei gleicher Kraftstoffmenge erläutert: Das Ansteuersignal
des Injektors 16a, welches in 2 dargestellt
ist, ist für alle Luftfüllungen gleich (gleiche
Kraftstoffmenge). Man erkennt, dass die Einspritzung ungefähr
im oberen Totpunkt eines den Brennraum 14a begrenzenden
Kolbens (in 1 nicht gezeigt) erfolgt, also
bei einem Kurbelwinkel vorliegend von ungefähr 180°.
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Bei
der Verbrennung des Kraftstoffs im Brennraum 14a erhöht
sich der im Brennraum 14a herrschende Druck p, und zwar
abhängig von der im Brennraum 14a vorhandenen
Luftfüllung, wie aus 3 ersichtlich
ist. Der Pfeil A geht in Richtung einer vergleichsweise hohen Luftfüllung,
der Pfeil B in Richtung einer vergleichsweise niedrigen Luftfüllung. Man
erkennt, dass der Druckanstieg bei geringer Luftfüllung
schwächer ist, später erfolgt und dass der Maximaldruck
geringer ist als bei großer Luftfüllung. Der Druckgradient
dp/dϕ, der sich aus den Kurven von 3 ergibt,
ist in 4 dargestellt. Man erkennt, das bei relativ großer
Luftfüllung (Pfeil A) der Gradient steiler ansteigt und
der maximale Gradient höher ist und bei einem früheren
Kurbelwinkel erreicht wird als bei einer vergleichsweise geringen Luftfüllung
(Pfeil B).
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In 5 ist
ein zu der entsprechenden Verbrennung im Brennraum 14a gehörende
effektives Körperschallsignal KS über dem Kurbelwinkel
aufgetragen. Es basiert auf dem von dem zu dem Brennraum 14a nächstgelegenen
Körperschallsensor 40a bereitgestellten Signal.
Man erkennt, dass bei einem Kurbelwinkel von ungefähr 183
bis 185° ein Störgeräusch auftritt, welches
beispieelsweise von dem schließenden Injektor 16a oder
von anderen "Störquellen" der Brennkraftmaschine verursacht
wird und welches mit der Verbrennung des Kraftstoffs im Brennraum 14a nichts
zu tun hat. Analog zum Druckanstieg entsprechend 3 erkennt
man in 5 einen Anstieg des Körperschallsignals
ab einem Kurbelwinkel von ungefähr 192° bei Einsetzen der
Verbrennung. Dieser Anstieg ist umso ausgeprägter (Pfeil
A), je höher die Luftfüllung ist, und er ist umso
schwächer, je geringer die Luftfüllung ist (Pfeil B).
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Bei
den in 5 aufgezeichneten Körperschallsignal
KS handelt es sich, wie gesagt, um ein effektives Körperschallsignal
KS. Dieses wird erhalten. In dem ein Roh-Körperschallsignal
Bandpass-gefiltert wird, vorzugsweise bezüglich Teilfrequenzbändern
von 3 bis 22 kHz, gleichgerichtet wird (|x|, x2,
|x|3, x4, etc) und über
eine bestimmte Anzahl von Arbeitsspielen gemittelt wird. Das effektive
Körperschallsignal KS wird nun integriert, wodurch man eine
Signalenergie erhält. Um Störeinflüsse
durch die Einspritzung (Injektorgeräusch) zu eliminieren
und die Unabhängigkeit von den Umweltparametern zu gewährleisten,
wird die Integration nur in einem "Verbrennungsfenster" durchgeführt,
welches in einem bestimmten Abstand von der Ansteuerung beziehungsweise
dem Ansteuerbeginn des Injektors 16a liegt, oder welches
anhand der Kurven der 3 und 4 platziert
wird. Das Verbrennungsfenster ist in 5 mit 41 bezeichnet.
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Darüber
hinaus werden Drifteffekte des Körperschallsensors 40a eliminiert
und kompensiert, indem die Signalenergie in einem Zeitraum vor der
Einspritzung und Verbrennung berechnet und mit einem Referenzwert
verglichen wird. Dann wird der Quotient aus dem Referenzwert und
den über eine bestimmte Anzahl von Arbeitsspielen (3 bis
30 Arbeitsspiele) gemittelten Istwert gebildet und dieser Quotient
als multiplikativer Korrekturwert für die Signalenergie
verwendet (multiplikative Korrektur). Alternativ kann der Mittelwert
der Signalenergie in einem Zeitraum vor der Einspritzung und Verbrennung
berechnet und als solcher von der Signalenergie beziehungsweise
dem effektiven Körperschallverlauf, die im Verbrennungsfenster
ermittelt wurde, subtrahiert werden (additive Korrektur).
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Wie
aus 6 ersichtlich ist, ergibt sich eine eindeutige
Korrelation zwischen der ermittelten Signalenergie SE bei unterschiedlichen
Luftfüllungen, die in dem besagten Verbrennungsfenster
ermittelt wurde, und dem Maximalwert des Druckgradienten entsprechend 4,
welcher den Ablauf der Verbrennung charakterisiert. Diese Korrelation
ist in 6 durch eine gestrichelt dargestellte Mittelkurve zum
Ausdruck gebracht. Die Signalenergie SE ist insoweit eine Körperschallgröße,
welche die Verbrennung in den Zylindern 12a bis d zu charakterisieren
in der Lage ist. Dies wird, wie nun unter Bezugnahme auf 7 erläutert
wird, für eine zylinderindividuelle Regelung der Verbrennung
ausgenutzt:
Zunächst werden in 42 auf der
Basis der Signale des Drucksensors 38 und des Drehzahlsensors 32 für den
Brennraum 14a des Leitzylinders 12a ein Verbrennungsschwerpunkt
MFB50 und ein mittlerer indizierter Druck proportional zu einem
inneren Drehmoment pmiHD ermittelt. Diese Istwerte stellen Regelgrößen
dar, die die Verbrennung in dem Leitzylinder 12a charakterisieren.
Sie werden nun in 43a und 43b auf entsprechende
Sollwerte eingeregelt, bei denen die Geräuschentwicklung
und die erzeugten Emissionen möglichst gering sind. Als
Stellgrößen für diese Regelung werden
Korrekturwerte ΔAB_a für den Ansteuerbeginn des
Injektors 16a, ΔqPI_a für die Menge einer
Voreinspritzung und ΔqGes_a für die Gesamteinspritzmenge
verwendet.
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Sobald
die Verbrennung im Brennraum 14a eingeregelt ist (Regler 43a und 43b stationär
eingeschwungen), wird die entsprechende Signalenergie SE_40a_a ermittelt,
bei der es sich also um einen Wert handelt, der die eingeregelte
Verbrennung in dem Leitzylinder 12a charakterisiert (Block 44 in 7).
Analog hierzu werden die Signalenergien SE_40a_b für den
Brennraum 14b, SE_40b_c anhand des Körperschallsensors 40b für
den Brennraum 14c und SE_40b_d anhand des Körperschallsensors 40b für
den Brennraum 14d ermittelt. Der für die eingeregelte
Verbrennung im Brennraum 14a gültige Wert SE_40a_a
wird als Sollwert in Subtrahierern 46b bis d eingespeist,
in die die jeweiligen Istwerte SE_40a_b, SE_40b_c und SE40b_d für
die jeweiligen Signalenergien eingespeist werden. Die in den Subtrahierern 46b bis
d erhaltenen Differenzen werden als Regeldifferenzen in entsprechende
Regler 48b bis 48d eingespeist, die entsprechende
die Verbrennung in den Brennräumen 14b bis d beeinflussende
Korrekturwerte ΔAB für den Ansteuerbeginn und/oder ΔqPI
für die Voreinspritzung ausgeben.
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Die
Signalenergien SE stellen für die Zylinder 12b bis
d also Regelgrößen dar, die auf den Sollwert SE_40a_a
(Istwert für den Leitzylinder 12a) eingeregelt
werden.
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Unter
Bezugnahme auf 8 wird nun ein Verfahren erläutert,
welches zusätzlich zu dem Verfahren von 7 durchgeführt
werden kann. Dabei tragen solche Elemente und Funktionen, die als äquivalent
zu den vorhergehenden Figuren anzusehen sind, die gleichen Bezugszeichen:
Analog zu dem Verfahren von 4 wird zunächst
die Verbrennung im Brennraum 14a des Leitzylinders 12a optimiert, und
zwar unter Verwendung des Signals des Drucksensors 38 und
des Signals des Drehzahlsensors 32. Als Regelgrößen
werden wieder ein Verbrennungsschwerpunkt MFB50 und ein inneres
Drehmoment pmiHD verwendet, die in 42 gebildet werden,
und die Regelung auf entsprechende Sollwerte der beiden Regelgrößen
erfolgt in den Reglern 41a und 41b.
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Sobald
die Regler 43a und 43b stationär eingeschwungen
sind, wird in 44 unter Verwendung des Körperschallsignals
des Körperschallsensors 40a die Signalenergie
SE_40a_a für den Leitzylinder 12a ermittelt. Diese
wird als Istwert in einen Subtrahierer 50 eingespeist,
der als Sollwert eine Signalenergie SE_40a_a_REF erhält.
Hierbei handelt es sich um einen Referenzwert, der beispielsweise
auf einem Prüfstand in einem Labor für den hier
vorliegenden Betriebszustand der Brennkraftmaschine 10 bei
ganz bestimmten Umgebungsbedingungen (Lufttemperatur, Luftdruck,
Cetanzahl des verwendeten Kraftstoffs, etc.) ermittelt wurde, oder
der in der Vergangenheit im Betrieb der Brennkraftmaschine 10 bei
definierten Umweltbedingungen und in einem oder mehreren Betriebspunkten
gelernt wurde.
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Abhängig
vom Ergebnis des Subtrahieres 50 wird in einem Aktionsblock 52 eine
Aktion ausgelöst. Diese Aktion kann beispielsweise darin
bestehen, dass eine globale Korrektur ΔAB und/oder ΔqPI
für die Menge der Voreinspritzung und/oder ΔAGR
für die Abgasrückfuhrrate oder ΔmL für
die Luftfüllung ermittelt wird, wobei "global" bedeutet,
dass diese Korrektur auf alle Zylinder 12a bis d gleichermaßen angewendet
wird. Wie durch den Block 54 angedeutet ist, erfolgt die
Aktivierung des Aktionsblocks 52 nicht nur abhängig
vom Ausgang des Subtrahieres 50, sondern zusätzlich
nur dann, wenn eine Änderung des Ausgangs des Subtrahieres 50 unmittelbar nach
einem Tankvorgang festgestellt wird. In diesem Falle kann die Änderung
des Ausgangs des Subtrahieres 50 auf eine Änderung
der Cetanzahl des getankten Kraftstoffes zurückgeführt
werden.
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Weitere
Möglichkeiten, die sich aus der Ermittlung der Signalenergie
SE als die Verbrennung in den Zylindern 12a bis d charakterisierende
Größe ergeben, werden nun unter Bezugnahme auf
die 9 bis 13 erläutert. In 9 ist
zunächst ein Heizverlauf, also der Verlauf der bei der
Verbrennung frei werdenden Wärmeenergie, über
dem Kurbelwinkel dargestellt, wiederum für unterschiedliche
in einem Brennraum vorhandene Luftmassen (A: große Luftmasse,
B: kleine Luftmasse). Die entsprechenden Druckgradienten dp/dϕ und
effektiven Körperschallsignale KS sind in den 10 und 11 aufgetragen
und entsprechen den Verläufen der 4 und 5.
In 12 ist der Verlauf einer normierten Signalenergie
SE_norm über dem Kurbelwinkel aufgetragen, wobei die normierte
Signalenergie SE_norm erhalten wird, indem die absolute Signalenergie
SE jeweils auf ihren Maximalwert normiert wird. Beispielhaft ist
in 12 der Kurbelwinkel, der einem relativen Energieumsatz
von 50% bei der Verbrennung in dem betrachteten Zylinder 14a bis
d entspricht, durch einen Pfeil 56 bezeichnet.
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In 13 ist
der Verlauf des nach dem Kurbelwinkel ϕ differenzierten
effektiven Körperschallsignals KS über den Kurbelwinkel
aufgetragen. Für eine mittlere Luftmasse in dem betrachteten
Zylinder 12a bis d ist in 13 beispielhaft
der Kurbelwinkel, der einem maximalen Energieumsatz, also einer
maximalen Steigung des effektiven Körperschallsignals entspricht,
durch einen Pfeil 58 bezeichnet. Auch der Wert des maximalen
Gradienten dKS/dϕ kann anhand von 13 gewonnen
werden (Pfeil 60).
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Es
versteht sich, dass die oben genannten Verfahren als Computerprogramm
auf einem Speicher der Steuer- und Regeleinrichtung 36 der
Brennkraftmaschine 10 abgespeichert sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10227279
A1 [0002]
- - DE 102005039757 A1 [0002]