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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Filterung eines
gestörten
Zylinderdrucksignals eines Zylinders einer Brennkraftmaschine. Die
Erfindung betrifft außerdem
ein System zur Durchführung eines
derartigen Verfahrens.
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Ein
derartiges Verfahren ist bereits aus der
DE 10 2004 054 711 A1 bekannt.
Das bekannte Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine schlägt zur Erhöhung der
Genauigkeit der Ermittlung einer bevorzugten Stelle einer (Kurbel)welle
der Brennkraftmaschine neben anderen Maßnahmen vor, ein den Verbrennungsprozess
charakterisierendes Signal, z. B. ein Zylinderdrucksignal, zu filtern, insbesondere
mittels eines Tiefpasses, um höherfrequente
Störungen
aus dem Signal zu entfernen.
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Während in
der Vergangenheit Zylinderdrucksensoren in der Motorenentwicklung
praktisch ausschließlich
zu Forschungs- und Entwicklungszwecken eingesetzt wurden, zeigen
sich mittlerweile klare Tendenzen hin zu einem Serieneinsatz dieser Komponente.
Dies gilt sowohl für
Otto- als auch für Dieselmotoren.
Zielsetzung ist neben dem Wegfall konventioneller Sensoren, wie
etwa dem Klopfsensor, eine verbesserte Verbrennungsprozesskontrolle zur
Steigerung der Motoreffizienz und zur Einhaltung der zunehmend strengen
gesetzlichen Emissionsgrenzwerte. Besonders erwähnt sei in diesem Zusammenhang
das so genannte CAI-Verfahren (Controlled Auto Ignition). Dabei
handelt es sich um ein homogenes mageres Kompressionszündverfahren, das
aufgrund seiner Sensibilität
erst durch den Einsatz von Zylinderdrucksensoren sicher beherrscht wird.
Das Zylinderdrucksignal dient dabei zur Ermittlung charakteristischer
Verbrennungsprozessgrößen wie
dem indizierten Mitteldruck und dem Verbrennungsschwerpunkt.
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Die
neueren Steuerungsprozesse eines Verbrennungsmotors stellen hohe
Anforderungen an die Exaktheit der Zylinderdruckdaten. Die Praxis
zeigt jedoch, dass Zylinderdruckrohsignale, die an Verbrennungsmotoren
aufgenommen werden, auch bei optimal funktionierenden Zylinderdrucksensoren
zahlreichen Störungen
ausgesetzt sind. Dabei ist zunächst an
mechanische Störeinflüsse, die
insbesondere von den Körperschallschwingungen
der beim Schließen hart
auftreffenden Gaswechselventile herrühren, zu denken. Hinzu kommen
verschiedene Arten von schnellen thermischen und elektromagnetischen
Störeinflüssen, die
jeweils zu bestimmten Zeitpunkten im Arbeitszyklus der Brennkraftmaschine
auftreten und jeweils einen charakteristischen Störeinfluss
auf das Zylinderdrucksignal ausüben.
Die Problematik liegt vor allem in der Vielfalt und der hohen zeitlichen, drehzahlabhängigen Variabilität der Störeinflüsse.
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Aus
DE 101 04 753 A1 ein
Verfahren und eine Vorrichtung zum Erfassen des Verbrennungsablaufs
in einem Brennraum eines Verbrennungsmotors bekannt. Zur Erhöhung der
Stabilität
und der Qualität
bei der Auswertung von Zylinderdrucksignalen werden diese vor der
Verarbeitung einer Glättung in
Form einer numerischen Signalverarbeitung unterzogen. Die Glättungsparameter
werden dabei vorzugsweise an die Dynamik des Brennraumsignals angepasst.
Beispielsweise kann die Breite des Fensters, in dem die Mittelwertbildung
durchgeführt
wird, abhängig
von dem Kurbelwellenwinkel angepasst werden. Ebenso kann der jeweils
verwendete Wichtungsfaktor bei der Filterung abhängig von dem Kurbelwellenwinkel
variiert werden. Der Kurbelwellenwinkel wird dabei mittels eines
Kurbelwellensensors erfasst.
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Aus
Fischer M. et al.: Klopferkennung im Ottomotor, MTZ 3/2003 Jg. 64,
S. 186–194
ist ein Verfahren zur Erkennung von Klopfereignissen bekannt. Dabei
wird das Signal eines Zylinderdrucksensors in Abhängigkeit
vom Kurbelwellenwinkel in vorgegebene Messfenster unterteilt und
ausgewertet. Dabei werden auch mehrere klopfrelevante Frequenzen (Mehrfilterstrategie)
genutzt.
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Aus
DE 197 41 820 A1 ist
ein Verfahren zur Auswertung des Ausgangssignals eines Zylinderdrucksensors
sowie eines Kurbelwellenwinkelsensors bekannt. Durch Analyse des
Brennraumdruckverlaufs über
dem Kurbelwellenwinkel werden für
bestimmte Ventilsteuerzeiten charakteristische Druckverläufe erhalten.
Aus diesen charakteristischen Ereignissen im Drucksignal lässt sich
auf die Steuerzeiten, d. h. auf die Öffnungs- und Schließzeiten
des Einlass- und Auslassventils, schließen.
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Aus
der Patentschrift
US
7,212,912 B2 ist ein Verfahren zur Ermittlung des Zylinderinnendrucks basierend
auf dem Ausgangssignal eines Zylinderdrucksensors bekannt. Der Zylinderdrucksensor
gibt ein Signal aus, welches der Änderungsrate des Zylinderinnendrucks
in einer Brennkraftmaschine entspricht. Das Ausgangssignal des Zylinderdrucksensors
wird derart gefiltert, dass die Frequenzanteile, welche geringer
sind als jene, die zur Steuerung der Brennkraftmaschine notwendig
sind, abgeschnitten werden. Das so gefilterte Ausgangssignal wird
integriert, um so den Zylinderinnendruck zu bestimmen. Auf diese
Weise kann ein Zylinderinnendruck ohne Verschiebung ermittelt werden.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes
Verfahren und ein System der eingangs genannten Art anzugeben, die
eine effektive Nutzung des störanfälligen Zylinderdrucksignals
ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 sowie durch
ein System zur Filterung des Zylinderdrucksignals gemäß Anspruch 10
gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der vorliegenden
Erfindung gehen aus den abhängigen
Ansprüchen
hervor.
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Hinsichtlich
des Verfahrens zur Filterung des Zylinderdrucksignals baut die Erfindung
auf dem gattungsgemäßen Stand
der Technik dadurch auf, dass es die folgenden Schritte umfasst:
Festlegen, für
wenigstens eine Störgröße, die
nur während
bestimmter begrenzter Zeitspannen des Druckverlaufs eines Arbeitsspiels
auftritt, eines auf die Art der Störgröße abgestimmten Filters, Zuordnen
dieses Filters zu dem oder den entsprechenden zeitlichen Störgrößenfenstern
im Arbeitsspiel, und kurbelwellenwinkelabhängiges Filtern des störungsbehafteten
Zylinderdrucksignals, indem entsprechend der Kurbelwellenposition für eine aktuelle
Störgröße ein zeitlich
und der Art nach abgestimmtes Filter appliziert wird. Dabei werden
die Informationen über
die aktuelle, drehzahlabhängige
Kurbelwellenposition jedoch – unabhängig von
der Motorsteuerung – aus
einer Zylinderdruckverlaufsanalyse ermittelt, wobei signifikante
Punkte des Zylinderdruckverlaufs während eines Arbeitszyklus der
Brennkraftmaschine detektiert werden und aus diesen Punkten die
Motordrehzahl und die aktuelle Kurbelwellenposition ermittelt wird.
Somit bedarf es keines – selbst
störanfälligen – Datenaustauschs mit
der Motorsteuerung.
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Die
Filterung von elektrischen Sensorsignalen ist an sich bekannt. Im
Wesentlichen wird dabei zwischen aktiven und passiven Filtern unterschieden.
Sie dienen zur Veränderung
der Amplitude von elektrischen Signalen in Abhängigkeit der Frequenz. Filter
im klassischen Sinne sind z. B. Hochpass-, Tiefpass- oder Bandpassfilter.
Die Erfindung ermöglicht die
Filterung und damit erst die effektive Nutzbarkeit eines Zylinderdrucksignals,
das durch unterschiedliche Arten von Störgrößen, die im Laufe des Arbeitsspiels
in zeitlich charakteristischer Abfolge auftreten, gestört ist.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung werden die einer Störgröße zuzuordnende
Filterart und die entsprechenden zeitlichen Störgrößenfenster versuchstechnisch
am Motorprüfstand
oder am Versuchsfahrzeug ermittelt und für den Serienbetrieb festgelegt.
Zur Definition der optimierten Filterart wird gemäß einer
Weiterbildung wenigstens einer der Filterparameter Grenzfrequenz und
Güte ermittelt
beziehungsweise festgelegt. In diesem Zusammenhang ist vorzugsweise
weiterhin vorgesehen, dass der Zylinderdruck von einem dem Zylinder
zugehörigen
Zylinderdrucksensor erfasst wird, und dass die vorab ermittelten
Filterparameter nicht flüchtig
in einer dem Zylinderdrucksensor zugeordneten elektronischen Auswerteeinheit
abgespeichert werden.
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Ein
wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass gemäß einer
weiteren Ausführungsform
ein variables Filter vorgesehen und derart angesteuert wird, dass
nacheinander wenigstens zwei verschiedene Arten von Filter zur Filterung
der zugehörigen
unterschiedlichen Störgrößen appliziert
werden.
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Die
Motordrehzahl kann in vorteilhaft einfacher Weise aus der zeitlichen
Folge zweier im Zylinderdruckverlauf detektierter Verbrennungsdruckmaxima
ermittelt werden.
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Falls
im Betrieb der Brennkraftmaschine eine Nockenwellenphasenverstellung
erfolgt, verschiebt sich die die Lage der Störgrößenfenster relativ zur Kurbelwellenposition.
Gemäß einer
vorteilhaften weiteren Ausführungsform
der Erfindung erfolgt die kurbelwellenwinkelabhängige Filterung in diesem Fall unter
Berücksichtigung
der aktuellen Nockenwellenphasenverstellung. Dabei wird insbesondere
bevorzugt, dass die zu berücksichtigende
Nockenwellenphasenverstellung aus dem Druckabfall bei Öffnen der
Auslassventile oder dem Druckanstieg bei Schließen der Einlassventile ermittelt
wird.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
wird für
die Filterung derjenigen Störgröße, die
durch das Schließen
der Gaswechselventile der Brennkraftmaschine, insbesondere des hinsichtlich
des Zylinderdrucks eigenen Zylinders, hervorgerufen wird, ein Tiefpassfilter
mit einer Grenzfrequenz von etwa 5 kHz ausgewählt.
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Das
erfindungsgemäße System
zur Filterung eines gestörten
Zylinderdrucksignals eines Zylinders einer Brennkraftmaschine weist
eine elektronische Auswerteeinheit auf, die für wenigstens eine Störgröße des Zylinderdrucksignals,
die nur während
bestimmter begrenzter Zeitspannen des Druckverlaufs eines Arbeitsspiels
auftritt, ein auf die Art der Störgröße abgestimmtes
Filter umfasst. Die Auswerteeinheit umfasst ferner einen nicht flüchtigen
Speicher, in dem das oder die der Störgröße zugehörigen zeitlichen Störgrößenfenster
eines Arbeitsspiels abgespeichert sind. Außerdem umfasst die Auswerteeinheit
Steuermittel, um entsprechend der aktuellen Kurbelwellenposition
für eine
aktuelle Störgröße ein zeitlich – mithilfe
des zugehörigen
Störgrößenfensters – und der
Art nach abgestimmtes Filter zu applizieren. Durch die Auswerteeinheit
werden die Informationen über
die aktuelle, drehzahlabhängige
Kurbelwellenposition – unabhängig von
der Motorsteuerung – aus
einer Zylinderdruckverlaufsanalyse ermittelt, wobei signifikante
Punkte des Zylinderdruckverlaufs während eines Arbeitszyklus der
Brennkraftmaschine detektiert werden und aus diesen Punkten die Motordrehzahl
und die aktuelle Kurbelwellenposition ermittelt wird. Somit bedarf
es keines – selbst
störanfälligen – Datenaustauschs
mit der Motorsteuerung.
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Dadurch
eröffnet
sich erfindungsgemäß die Möglichkeit
einer bezüglich
der Motorsteuerung autarken Auswertungselektronik, insbesondere
einer Auswerteeinheit, die durch ein von der Motorsteuerung (ECU)
unabhängiges
eigenständig
arbeitendes Gerät
gebildet ist. In einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausführungsform
bilden die Auswerteeinheit und ein Zylinderdrucksensor zum Erfassen
des Zylinderdruckrohsignals eine räumlich integrierte Komponente.
Dadurch entsteht ein ,intelligenter' Sensor, eine so genannte ,Smart Component'. Günstigerweise
ist das kurbelwellenwinkelabhängige
abwechselnde Ansteuern der jeweiligen störgrößenselektiven Filter des erfindungsgemäßen Systems
mithilfe einer Universalfilterschaltung realisiert.
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Die
bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die begleitende
Zeichnung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 den
Verlauf der Amplitude eines ungestörten und eines durch mechanische
Störeinflüsse gestörten Zylinderdrucksignals über dem
Kurbelwellenwinkel,
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2 die
Lage verschiedener Störgrößenfenster
in einem Diagramm eines erfindungsgemäß zu filternden Zylinderdruckverlaufs,
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3 einen
grob schematischen Ablaufplan eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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4 einen
Schaltplan eines erfindungsgemäß einsetzbaren,
an sich bekannten Universalfilters,
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5 eine
schematische Blockdarstellung eines separat zur Motorsteuerung der
Brennkraftmaschine ausgebildeten erfindungsgemäßen Systems zur Zylinderdrucksignalfilterung.
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Zur
Erläuterung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist in 1 der Verlauf eines mit Signalstörungen behafteten
Signals 2 des Zylinderdrucks p über dem Kurbelwellenwinkel
KW dargestellt. Zum Vergleich ist auch die Kurve eines ungestörten Referenzsignals 1 dargestellt.
Zwischen –360°KW und +360°KW spiegeln
die Kurven 1 und 2 im Wesentlichen das bekannte
Arbeitsspiel eines Viertakt-Verbrennungsmotors wieder, beginnend
mit dem Einsaugtakt, einer Zunahme des Zylinderdrucks p im folgenden
Kompressionstakt, gefolgt vom Erreichen des Verbrennungsdruckmaximums
und der beginnenden Abnahme des Drucks im anschließenden Verbrennungstakt,
sowie der weiteren Abnahme und des Wiederanstiegs des Zylinderdrucks
in den nachfolgenden Ausschiebe- und Einsaugtakten. Beispielhaft
dargestellt ist eine selbstzündende
CAI-Verbrennung mit Zwischenkompression im Ladungswechsel am oberen
Totpunkt (bei circa –360°KW beziehungsweise
+360°KW),
die keine zusätzliche
Zündung
benötigt,
so dass das Zylinderdrucksignal 2 in diesem vereinfachten
Beispiel nicht mit elektromagnetischen Störeinflüssen, sondern nur mit mechanischen
Störeinflüssen behaftet
ist. Dargestellt in 1 ist das Zylinderdrucksignal 2 des
dritten Zylinders eines vierzylindrigen Reihenmotors (Taktfolge:
erster, dritter, vierter, zweiter Zylinder).
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Betrachtet
man das gestörte
Zylinderdrucksignal 2 in (zeitlicher) Relation zu den Ventilhubkurven 4 (vierter
Zylinder), 3 (dritter Zylinder), und 5 (zweiter Zylinder),
wird schnell ersichtlich, dass es sich bei den Störspitzen 7a bis 7d im
Drucksignal 2 um Körperschallschwingungen
handelt, die durch das (harte) Auftreffen der Gaswechselventile
beim Schließvorgang
auf den Zylinderkopf erzeugt werden. Die Störspitzen 7a beziehungsweise 7b werden
am Ende der Ventilhubkurven 3a beziehungsweise 3b,
also beim Schließen
des zum eigenen, dritten Zylinder gehörenden Einlass- beziehungsweise
Auslassventils, ausgelöst.
Sichtbar sind auch die Schließzeitpunkte der
Einlass- und Auslassventile der Nachbarzylinder, wobei diese eine
vergleichsweise geringere Störamplitude 7c beziehungsweise 7d bewirken,
bedingt durch den größeren Abstand
zum Druckaufnehmer und der damit verbundenen stärkeren Dämpfung. Das Rauschen im gesamten
Druckverlauf 2 wird vornehmlich durch die (drehzahlabhängigen)
Vibrationen des Motors verursacht, welche vom Druckaufnehmer erfasst
werden. Das Rauschen erstreckt sich grundsätzlich über das gesamte Arbeitsspiel, auch
wenn der Bereich des Druckmaximums relativ unbeeinflusst bleibt.
Die Störimpulse 7a bis 7d zeichnen
sich erkennbar durch eine bei gleich bleibender Drehzahl periodisch
wiederkehrende, kurbelwellenwinkelabhängige Lage im Zylinderdruckverlauf
sowie durch eine charakteristische Frequenz aus. Erfindungsgemäß wird,
wenn im aktuellen Betrieb die betreffende Kurbelwellenposition erreicht
wird beziehungsweise das betreffende zeitliche Störgrößenfenster
unmittelbar bevorsteht, ein auf die Art der Störimpulse 7a bis 7d,
also auf die Art der Störgröße, abgestimmtes
Filter bereitgestellt und auf das Signal 2 mit den Störimpulsen
angewendet, so dass diese aus dem Zylinderdruckrohsignal 2 herausgefiltert
werden. Das der jeweiligen Störgröße möglichst
optimal entsprechende Filter ist also nicht ständig, sondern nur in den relevanten
Störgrößenfenstern
aktiv.
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Beispielsweise
kann zur Eliminierung der Körperschall-Störspitzen 7a und 7b festgelegt
werden, dass das zugehörige
Filter in Kurbelwellenwinkelbereichen (Störgrößenfenster) ap pliziert wird,
die um –140°KW beziehungsweise
um +290°KW
herum zentriert sind.
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Neben
den erwähnten
mechanischen sind vor allem auch elektromagnetische Störeinflüsse auf das
Zylinderdrucksignal zu berücksichtigen.
Als vornehmliche Störquelle
sei in diesem Zusammenhang das Zündsystem
genannt. Aufgrund der unmittelbaren Nähe der Zündspule und Zündkerze
zum Zylinderdrucksensor ist ein Einfluss des Hochspannungszündimpulses
auf das Sensorsignal nahezu kaum zu vermeiden. Durch entsprechende
Schirmungsmaßnahmen
kann dieser Einfluss in manchen Fällen aber deutlich abgeschwächt werden.
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2 zeigt
eine Zylinderdruckverlaufskurve 2, aus der für drei unterschiedliche
Störgrößen, beziehungsweise
die zugehörigen
Störgrößenfenster, deren
relative Lage im Arbeitsspiel hervorgeht. Das Störgrößenfenster 8 (dessen
Lage, ebenso wie die Lage des Störgrößenfensters 10,
gegenüber
der Lage der korrespondierenden großen Störimpulse 7a und 7b gemäß 1 verschoben
ist) bezieht sich auf das Schließen des Einlassventils des
zum dargestellten Zylinderdruckverlauf 2 gehörigen Zylinders.
Der zum Störgrößenfenster 8 gehörige, optimierte
Filtertyp (Tiefpassfilter), erfährt
demnach – im
dargestellten Beispiel – eine
Aktivierung bei circa –150°KW und eine
Deaktivierung bei circa –80°KW. Danach
erfolgt, während
der durch das Störgrößenfenster 9 vorgegebenen
zeitlichen Dauer, die Applizierung eines anderen Filtertyps, der
zur Filterung der von der Zündung ausgehenden
Störeinflüsse optimiert
ist. Dabei wird auch ein Tiefpassfilter, jedoch mit deutlich höherer Grenzfrequenz
als im Störgrößenfenster 9,
eingesetzt. Als letztes wird im in 2 gezeigten
Beispiel während
des Störgrößenfensters 10 ein
Filter appliziert, das geeignet ist, die beim Schließen des
Auslassventils ausgelösten
Störsignale
zu eliminieren.
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Auch
thermische Einflüsse
auf das Zylinderdrucksignal sind durch die prinzipielle Arbeitsweise eines
Verbrennungsmotors und des damit einhergehenden großen Temperaturbereichs
und der schnellen Temperaturänderungen
im Brennraum gegeben und sollten zur effektiven Nutzung des Drucksignals eliminiert
werden. Grundsätzlich
ist eine Mittelzeitdrift, also eine von der mittleren Betriebs-(Brennraum-)temperatur
des Verbrennungsmotors abhängige
Störgröße, sowie
eine Kurzzeitdrift, also eine durch den raschen Temperaturanstieg
bei Start der Verbrennung (Thermoschock) verursachte Störgröße zu berücksichtigen.
Je nach Sensorprinzip, Sensorkonstruktion und Aufwand zur Temperaturkompensation
ergibt sich ein mehr oder minder großer Störeinfluss auf das Sensorsignal.
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Charakteristisch
für die
oben genannten Störeinflüsse ist,
dass sie zu einem bestimmten Zeitpunkt (z. B. Zündzeitpunkt) oder während einer
bestimmten (begrenzten) Zeitspanne auftreten. Der Zeitpunkt bzw.
die Zeitspanne der Störeinflüsse ist
in erster Linie abhängig
von der Motordrehzahl, der Kurbelwellenposition und der Lage der
Nockenwellenphasensteller. Die Daten bezüglich Drehzahl, Kurbelwellenposition,
Zündzeitpunkt
sowie Phasenlage der Nockenwellensteller sind natürlich der
Motorsteuerung bekannt, stehen also mit hoher Genauigkeit zur Verfügung, wenn
die zur Filterung des Drucksignals erforderliche Auswertung in der
Motorsteuerung erfolgt. Die Motordrehzahl, die Kurbelwellenposition und
die Lage der Nockenwellenphasensteller sind jedoch, wie im Folgenden
gezeigt wird, auch aus dem Zylinderdrucksignal ableitbar. Eine derartige,
,eigenständige' Ermittlung dieser
Größen aus
dem Verlauf des Zylinderdrucksignals selbst schafft die Voraussetzung
für ein
autarkes System ("Stand
Alone Module"),
so dass keine unmittelbare Abhängigkeit
von der Motorsteuerung besteht und kein Informations- und Datenaustausch
von der ECU in Richtung Zylinderdrucksensor zu erfolgen braucht.
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Analysiert
man den Zylinderdruckverlauf einer ottomotorischen Verbrennung über dem
Kurbelwellenwinkel, so lassen sich mehrere signifikante Eckpunkte
erkennen, die für
die weitere Ermittlung der Daten, die für die kurbelwellenwinkelselektive
Filterung erforderlich sind, genutzt werden können. Diese Eckpunkte sind
insbesondere
- a) der maximale Zylinderdruck
während
der Verbrennung
- b) der Druckanstieg nach dem Schließen der Einlassventile im Kompressionstakt,
sowie
- c) der Druckabfall nach dem Öffnen
der Auslassventile im Expansionstakt.
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Aus
diesen Punkten und ihrem Bezug zur Kurbelwellenposition bzw. zum
Kurbelwellenwinkel lässt
sich zum einen zunächst
die Motordrehzahl bestimmen, nämlich
aus der zeitlichen Folge zweier Verbrennungsdruckmaxima. Weiterhin
kann in an sich bekannter Weise aus der Drehzahl, also dem Wissen,
wie lange eine Umdrehung dauert, und der Kenntnis einer Absolutposition,
zum Beispiel wieder der dem Zylinderdruckverlauf zu entnehmenden Lage
des Druckmaximums, die aktuelle Kurbelwellenposition ermittelt werden.
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Andererseits
ist die Lage des Druckanstiegs nach dem Schließen der Einlassventile ein
Indikator für
die Position der Einlassnockenwelle in Bezug zur Kurbelwellenposition.
Dies ist von Bedeutung bei Systemen mit einlassseitiger Nockenwellenphasenverstellung,
bei denen es im Betrieb zu einer Verschiebung der Lage der Signalstörungen relativ
zu deren Kurbelwellenposition ohne Verstellung kommt. Ferner ist
die Lage des Druckabfalls nach dem Öffnen der Auslassventile ein
Indikator für
die Position der Auslassnockenwelle in Bezug zur Kurbelwellenposition.
Dies ist von Bedeutung bei Systemen mit auslassseitiger Nockenwellenphasenverstellung.
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Prinzipbedingt
ist mit dieser Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
die Bestimmung der Motordrehzahl und der Nockenwellenposition nur
mit eingeschränkter
Genauigkeit zu erreichen. Diese ist aber für den weiteren Ablauf der Funktionalität ausreichend.
Die genannten Zusammenhänge
sind in 3 in Form von schematischen Verfahrensschritten
nochmals dargestellt. Wenn die neue Lage der Störgrößenfenster ermit telt und den entsprechenden
Störgrößen beziehungsweise
Filtern zugeordnet ist, erfolgt wieder die Applizierung der zeitlich
und der Art nach optimal abgestimmten Filter.
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Zusammenfassend
besteht das erfindungsgemäße Verfahren
darin, das Zylinderdrucksignal entsprechend der einzelnen Störgrößen und
ihrem zeitlichen Auftreten (Störfenster)
kurbelwellenwinkelabhängig
zu filtern. Die Wahl des Filters richtet sich nach der Art der Störgröße. Während Störungen durch
das Zündsystem
sehr hochfrequent sind, bewegen sich Störungen durch Körperschall
im Bereich von etwa 5–15
kHz. Letzteres ist im Wesentlichen von der Motorblock- und Zylinderkopfkonstruktion und
dem verwendeten Werkstoff (Grauguss, Aluminium) abhängig. Die
Höhe des
Verbrennungsdruckmaximums oder alternativ die Größe der vom Drucksignal über dem
Kurbelwinkel pro Zyklus aufgespannte Fläche (also das Integral des
Zylinderdrucks p über dem
Zylindervolumen dV) ist ein Maß für die umgesetzte
Energiemenge. Daraus kann auf die maximale Brennraumtemperatur geschlossen
werden, die wiederum das Thermoschockverhalten des Sensors beeinflusst.
Entsprechend kann das Sensorsignal im Bereich hoher Temperaturen
zusätzlich
durch einen Offset korrigiert werden.
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Die
Analyse der Störgrößen sowie
die Ermittlung der optimalen Filter und Filterparameter (Hochpass,
Tiefpass, Grenzfrequenz, Güte,
etc.) erfolgt vorteilhafterweise am Motorprüfstand bzw. am Fahrzeug. Prinzipiell
kann die Filterung in der Motorsteuerung erfolgen, es bietet sich
aber – wie
erwähnt – an, die
Rohsignalaufbereitung und -verarbeitung direkt am Zylinderdrucksensor
zu realisieren, da das Sensorsignal dann nicht über (lange) Leitungen durch
den gesamten Motorraum geführt
werden muss, was die Gefahr birgt, dass weitere Störungen eingefangen
werden. Vielmehr erfolgt die Signalaufbereitung vorteilhaft direkt
im Sensor, und es kann ein robustes störsicheres Signal an die Motorsteuerung
gesendet werden. Da quasi ein intelligenter Sensor entsteht, wird
auch von einer so genannten "Smart
Component" gesprochen.
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In 4 ist
die Schaltung eines an sich bekannten Universalfilters dargestellt.
Diese Schaltung ist in der Lage, alle relevanten Filterparameter
wie Grenzfrequenz, Filtertyp (Hochpass, Tiefpass, Bandpass und Bandsperre)
sowie die Güte
der Filterung darzustellen. Das gewünschte Filter wird durch die entsprechende
Schalterstellung (Rotary Switch 11) aktiviert. Ersetzt
man diesen Schalter 11 durch ein Ansteuersignal, welches
sowohl die Art des Filters als auch das zeitliche Aktivierungsfenster
vorgibt, kann für
jede Störgröße ein optimales
zeitlich abgestimmtes Filter appliziert werden.
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Die
Blockdarstellung gemäß 5 geht
von einem Motorsteuergerät 12 (ECU)
und einer dazu selbstständigen
elektronischen Auswerteeinheit 13 zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
aus. Erkennbar ist außerdem
ein Zylinderdrucksensor 14, der einem (nicht dargestellten)
Zylinder einer Brennkraftmaschine zugeordnet ist. Der Sensor 14 liefert über die
Leitung 15 ein Zylinderdruckrohsignal 2 an eine
Steuer- beziehungsweise
Recheneinheit 16 der Auswerteeinheit 13. Die Auswerteeinheit 13 umfasst
ferner ein Universalfilter 17, beispielsweise der in 4 dargestellten
Art, sowie einen nicht flüchtigen
Speicher 18. Das Zylinderdrucksignal 2 wird in
der Auswerteeinheit 13 in der oben beschriebenen Weise
kurbelwellenselektiv gefiltert, so dass ein bereinigtes Zylinderdrucksignal über die
Datenleitung 19 an das Motorsteuergerät 12 übermittelt
werden kann. Der Zylinderdrucksensor 14 und die zugehörige Auswerteeinheit 13 können räumlich zu
einer Einheit 20 integriert sein. Ein wesentlicher Vorteil
des erfindungsgemäßen Systems
bzw. Verfahrens besteht darin, dass eine eigenständige und unabhängige Sensor-
und Signalaufbereitungseinheit 20 entsteht. Die notwendigen
Informationen wie Kurbelwellenposition, Motordrehzahl und Nockenwellenphasenlage
werden in der Einheit 20 selbst generiert. So bedarf es
keines Datenaustauschs mit der Motorsteuerung 12. Entsprechend
der aktuellen Kurbelwellenposition kann für jede Störgröße ein optimales Filter ausgewählt und
appliziert werden. Dies bildet die Grundlage für ein störungsfreies effektiv nutzbares Zylinderdrucksignal.