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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Winkelgeschwindigkeits-/Winkelbeschleunigungsberechnungseinheiten,
Momentschätzeinheiten und Verbrennungszustandsschätzeinheiten
und bezieht sich insbesondere auf eine Winkelgeschwindigkeits-/Winkelbeschleunigungsberechnungseinheit,
Momentschätzeinheit und Verbrennungszustandsschätzeinheit
für einen Verbrennungsmotor.
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Beschreibung des Stands der
Technik
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Eine
hochgenaue Steuerung eines Verbrennungsmotors wird dadurch wirksam
durchgeführt, dass ein Verbrennungszustand des Motors gemessen
und der Motor, wobei ein Messergebnis von diesem rückgemeldet
wird, gesteuert wird. Für eine solche hochgenaue Steuerung
ist es notwendig, den Verbrennungszustand des Motors präzise
zu messen. Der Verbrennungszustand des Motors kann dadurch gemessen
werden, dass einen Innendruck eines Zylinders mit einem Zylinderinnendrucksensor
gemessen wird, um ein Moment zu berechnen, oder dass ein Gasdruckmoment
entsprechend einem Kurbelwinkelsensorsignal geschätzt wird.
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Die
japanische Patentanmeldung mit
der Offenlegungsnummer 2005-61371 offenbart ein Verfahren zum
Schätzen eines Gasdruckmoments entsprechend einem Kurbelwinkelsensorsignal.
In der
japanischen Patentanmeldung
mit der Offenlegungsnummer 2005-61371 wird eine mittlere
Winkelbeschleunigung einer Kurbelwelle in einem vorbestimmten Kurbelwinkelbereich
entsprechend einem Kurbelwinkel erhalten, der mit einem Kurbelwinkelsensor
gemessen wird, und ein Mittelwert von Gasdruckmomenten wird entsprechend
der mittleren Winkelbeschleunigung, einem zuvor erhaltenen, an der
Kurbelwelle bestehenden Trägheitsmoment und einem zuvor
gespeicherten Reibungsmoment geschätzt.
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Allerdings
treten Probleme bei der Beständigkeit und den Kosten in
einem derartigen Verfahren zum Messen eines Innendrucks eines Zylinders
mit einem Zylinderinnendrucksensor und zum Berechnen eines Moments
auf. In dem in der
japanischen
Patentanmeldung mit der Offenlegungsnummer 2005-61371 offenbarten
Verfahren ist es nicht eine Winkelbeschleunigung der Kurbelwelle,
die berechnet wird, sondern die mittlere Winkelbeschleunigung im
vorbestimmten Kurbelwinkelbereich. Somit wird nur ein Mittelwert
von Gasdruckmomenten geschätzt. Darüber hinaus
ist das Verfahren der
japanischen
Patentanmeldung mit der Offenlegungsnummer 2005-61371 lediglich
dazu ausgelegt, eine Winkelgeschwindigkeit entsprechend einem Kurbelwinkel
durch Differenzapproximation zu erhalten und die mittlere Winkelbeschleunigung
entsprechend einer Differenz der Winkelgeschwindigkeit zwischen
zwei vorbestimmten Kurbelwinkeln zu berechnen. Deshalb dient dieses
Verfahren nicht zum Berechnen einer Winkelbeschleunigung.
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In
dem in der
japanischen Patentanmeldung
mit der Offenlegungsnummer 2005-61371 offenbarten Verfahren
wird nur das Reibungsmoment, das ein Teil eines zum Schätzen
eines Gasdruckmoments notwendigen Fremdmoments ist, vorab gespeichert und
als eine Abbildung über eine Drehzahl eines Motors und
eine Temperatur von Kühlwasser verwendet. Dementsprechend
ist das Verfahren der
japanischen
Patentanmeldung mit der Offenlegungsnummer 2005-61371 nur
beschränkt einsetzbar, weil ein Gasdruckmoment nur in einem
Fall gemessen werden kann, bei dem ein Fremdmoment, das ein Reibungsmoment
ausschließt, offensichtlich gleich Null ist, oder in einem
Fall, bei dem ein Lastmoment mit einer zusätzlichen Messeinheit,
wie etwa einem Neigungssensor, gemessen werden kann.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Winkelgeschwindigkeits-/Winkelbeschleunigungsberechnungseinheit,
die eine Kurbelwinkelgeschwindigkeit sowie eine Kurbelwinkelbeschleunigung
entsprechend einem Kurbelwinkelsensorsignal berechnet, eine Momentschätzeinheit,
die ein Gasdruckmoment sowie ein Fremdmoment schätzt, und
eine Verbrennungszustandsschätzeinheit bereitzustellen,
die einen Verbrennungszustand schätzt.
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Nach
der vorliegenden Erfindung umfasst eine beispielhafte Winkelgeschwindigkeits-/Winkelbeschleunigungsberechnungseinheit
für eine Kurbel in einem Verbrennungsmotor eine Kurbelwinkelerfassungsvorrichtung,
eine Kurbelwinkelkorrekturvorrichtung und eine Winkelgeschwindigkeits-/Winkelbeschleunigungsberechnungsvorrichtung.
Die Kurbelwinkelerfassungsvorrichtung erfasst einen Kurbelwinkel
im Verbrennungsmotor und eine Zeit am Kurbelwinkel. Die Kurbelwinkelkorrekturvorrichtung
korrigiert, und zwar entsprechend einer vorbestimmten Kurbelwinkelteilung,
den Kurbelwinkel und die Zeit, die beide durch die Kurbelwinkelerfassungsvorrichtung
erfasst werden. Die Winkelgeschwindigkeits-/Winkelbeschleunigungsberechnungsvorrichtung
berechnet eine Winkelgeschwindigkeit und eine Winkelbeschleunigung
der Kurbel, indem eine Funktion der Zeit im Hinblick auf den Kurbelwinkel,
der durch die Kurbelwinkelkorrekturvorrichtung korrigiert wird,
so umgerechnet wird, dass sie als eine periodische Funktion angesehen
werden kann, und indem die diskrete Fourier-Transformation der umgerechneten
Funktion verwendet wird.
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Entsprechend
werden entsprechend einem Kurbelwinkelsensorsignal eine Winkelgeschwindigkeit
und eine Winkelbeschleunigung der Kurbel genau berechnet.
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Nach
der vorliegenden Erfindung umfasst eine beispielhafte Momentschätzeinheit
in einem Verbrennungsmotor die vorstehend beschriebene Winkelgeschwindigkeits-/Winkelbeschleunigungsberechnungseinheit
und eine Axialmomentberechnungsvorrichtung. Die Axialmomentberechnungsvorrichtung
berechnet ein Axialmoment der Kurbel, indem der Kurbelwinkel, der
durch die Kurbelwinkelkorrekturvorrichtung korrigiert wird, sowie
die Winkelgeschwindigkeit und die Winkelbeschleunigung der Kurbel,
die durch die Winkelgeschwindigkeits-/Winkelbeschleunigungsberechnungseinheit
berechnet werden, auf eine Bewegungsgleichung für ein System
angewendet wird, das einen Kolben, eine Pleuelstange und die Kurbel
im Verbrennungsmotor umfasst.
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In
der vorstehend beschriebenen Momentschätzeinheit berechnet
die Winkelgeschwindigkeits-/Winkelbeschleunigungsberechnungseinheit
eine Winkelgeschwindigkeit und eine Winkelbeschleunigung der Kurbel
genau. Entsprechend werden ein Gasdruckmoment sowie ein Fremdmoment
genau geschätzt.
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Nach
der vorliegenden Erfindung schätzt eine beispielhafte Verbrennungszustandsschätzeinheit
einen Verbrennungszustand eines Verbrennungsmotors in Übereinstimmung
mit Werten, welche die Winkelbeschleunigung, die durch die vorstehend
beschriebene Winkelgeschwindigkeits-/Winkelbeschleunigungsberechnungseinheit
berechnet werden, oder das Gasdruckmoment umfassen, das durch die
vorstehend beschriebene Momentschätzeinheit berechnet wird.
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In
der vorstehenden Verbrennungszustandsschätzeinheit nach
der vorliegenden Erfindung berechnet die Winkelgeschwindigkeits-/Winkelbeschleunigungsberechnungseinheit
eine Winkelgeschwindigkeit und eine Winkelbeschleunigung der Kurbel
genau, um den Verbrennungszustand genau zu schätzen.
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Diese
und andere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden
Erfindung gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung
der vorliegenden Erfindung in Zusammenschau mit den beigefügten
Zeichnungen besser hervor.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors, der eine
Verbrennungszustandsschätzeinheit nach einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst.
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2 ist
ein Blockschema der Verbrennungszustandsschätzeinheit nach
der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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3 ist
ein Ablaufdiagramm, das Verhaltensabläufe der Verbrennungszustandsschätzeinheit
nach der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
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4 ist
eine graphische Darstellung, die Kurbelwinkelbeschleunigungen zeigt,
die durch die Verbrennungszustandsschätzeinheit nach der
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung berechnet werden.
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5 ist
eine graphische Darstellung, die Gasdruckmomente zeigt, die durch
die Momentschätzeinheit nach der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung geschätzt werden.
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6 ist
ein Schema, das ein Motorenmodell mit einem Kolben, einer Pleuelstange
und einer Kurbelwelle zeigt.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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(Ausführungsform)
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1 ist
eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors, der ein
Verbrennungszustandsschätzeinheit nach der vorliegenden
Ausführungsform zeigt. Der in 1 gezeigte
Verbrennungsmotor ist ein Beispiel eines Viertakt-Vierzylinder-Reihenmotors. 1 zeigt
einen Motor 10, der Kolben 20, die jeweils in den
Zylindern vorgesehen sind, und Verbrennungskammern 23 besitzt,
die jeweils oberhalb der Kolben 20 angeordnet sind.
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Der
Motor 10 ist an einen Ansaugweg 30 und einen Auslassweg 31 angeschlossen.
Ansaugluft strömt durch einen Luftfilter 32, der
an einem vorgeordneten Ende des Ansaugwegs 30 vorgesehen
ist und tritt über einen Luftstromsensor 52 und
ein Drosselventil 33 in einen Druckausgleichbehälter 34 ein.
In unmittelbarere Nähe des Drosselventils 33 ist
ein Drosselsensor 53 angeordnet, der den Betrag der Drosselöffnung
erfasst. Nachdem die Luft in den Druckausgleichbehälter 34 eingeströmt
ist, wird sie über Einlassventile 25, die an einem
nachgeordneten Ende des Ansaugwegs 30 vorgesehen sind,
in die Verbrennungskammern 23 der jeweiligen Zylinder geleitet.
Dem Druckausgleichbehälter 34 nachgeordnet ist
ein Kraftstoffeinspritzventil 25 vorgesehen, das Kraftstoff
versprüht.
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Die
in jede der Verbrennungskammern 23 eingeleitete Luft und
der aus dem Kraftstoffeinspritzventil 27 versprühte
Kraftstoff werden durch einen Funken aus einer Zündkerze 24 entzündet,
und ein Abgas wird aus einem Auslassventil 26 ausgeleitet.
Das Abgas strömt durch den Auslassweg 31 und wird
nach außen geleitet, nachdem es durch eine Abgasreinigungskatalysator 36 gereinigt
wurde. Das aus den Verbrennungskammern 23 ausgeleitete
Abgas wird über ein Abgasrückführungsventil
(AGR-Ventil) 35 teilweise in den Ansaugweg 30 aufgenommen.
Im Auslassweg 31 ist ein Sensor 54 für
das Verhältnis Luft/Kraftstoff angeordnet, der eine Sauerstoffkonzentration
in einem Abgas erfasst.
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Der
Kolben 20 ist in jedem der Zylinder über eine
Pleuelstange 21 so an eine Kurbelwelle 22 angeschlossen,
dass die Hin- und Herbewegung des Kolbens 20 in Drehung
umgesetzt wird. In der Kurbelwelle 22 ist ein Kurbelwinkelsensor 50 angeordnet,
der einen Drehwinkel von dieser erfasst. Jeder der Zylinder ist
mit einem Wassertemperaturfühler 51 versehen,
der eine Temperatur von Kühlwasser erfasst.
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Der
Motor 10 umfasst darüber hinaus eine Motorsteuereinheit
(ECU) 11, die Signale empfängt, die vom Luftstromsensor 52,
dem Drosselsensor 53, dem Sensor 54 für
das Verhältnis Luft/Kraftstoff, dem Kurbelwinkelsensor 50 und
dem Wassertemperaturfühler 51 wie auch von Sensoren
wie etwa einem an einem Gaspedal 40 vorgesehenen Beschleunigungssensor 55 übertragen
werden, und steuert ein Ansaugluftvolumen, eine Kraftstoffsprühnebelmenge,
eine Zündzeiteinstellung u. dgl. entsprechend einem Betriebszustand.
Die ECU 11 umfasst eine Kurbelwinkelerfassungsvorrichtung,
eine Kurbelwinkelkorrekturvorrichtung, eine Winkelgeschwindigkeits-/Winkelbeschleunigungsberechnungsvorrichtung,
eine Axialmomentberechnungsvorrichtung, eine Fremdmomentschätzvorrichtung,
eine Gasdruckmomentschätzvorrichtung, eine Gasdruckarbeitsberechnungsvorrichtung
und eine Verbrennungszustandsschätzvorrichtung, wovon jede
als ein auszuführendes Programm gespeichert ist.
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2 ist
ein Schema, das die Verbrennungszustandsschätzeinheit nach
der vorliegenden Erfindung als einen Funktionsblock zeigt. Die in 2 gezeigte
Verbrennungszustandsschätzeinheit umfasst eine Kurbelwinkelerfassungsvorrichtung 1,
eine Kurbelwinkelkorrekturvorrichtung 2 und eine Winkelgeschwindigkeits-/Winkelbeschleunigungsberechnungsvorrichtung 3.
Die Kurbelwinkelerfassungsvorrichtung 1 erfasst einen Kurbelwinkel
und eine diesem entsprechende Zeit entsprechend einem vom Kurbelwinkelsensor 50 her eingegangenen
Signal. Die Kurbelwinkelkorrekturvorrichtung 2 korrigiert
den Kurbelwinkel und die Zeit, die durch die Kurbelwinkelerfassungsvorrichtung 1 erfasst
werden. Die Winkelgeschwindigkeits-/Winkelbeschleunigungsberechnungsvorrichtung 3 berechnet
eine Kurbelwinkelgeschwindigkeit und eine Kurbelwinkelbeschleunigung
entsprechend einem Ergebnis einer Korrektur durch die Kurbelwinkelkorrekturvorrichtung 2.
Wie in 2 gezeigt ist, ist eine Winkelgeschwindigkeits-/Winkelbeschleunigungsberechnungseinheit 4 so
aufgebaut, dass sie die Kurbelwinkelerfassungsvorrichtung 1,
die Kurbelwinkelkorrekturvorrichtung 2 und die Winkelgeschwindigkeits-/Winkelbeschleunigungsberechnungsvorrichtung 3 umfasst.
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Die
in 2 gezeigte Berechnungszustandsschätzeinheit
umfasst darüber hinaus eine Axialmomentberechnungsvorrichtung 5,
eine Fremdmomentschätzvorrichtung 6 und eine Gasdruckmomentberechnungsvorrichtung 7.
Die Axialmomentberechnungsvorrichtung 7 berechnet ein Axialmoment
entsprechend einem Ergebnis einer Berechnung durch die Winkelgeschwindigkeits-/Winkelbeschleunigungsberechnungsvorrichtung 3,
sowie eine Bewegungsgleichung im Hinblick auf ein System, das den
Kolben 20, die Pleuelstange 21 und die Kurbelwelle 22 umfasst.
Die Fremdmomentschätzvorrichtung 6 schätzt
ein Fremdmoment entsprechend dem Axialmoment bei einem besonderen
Kurbelwinkel. Die Gasdruckmomentberechnungsvorrichtung 7 berechnet
ein Gasdruckmoment entsprechend einem Ergebnis einer Berechnung
durch die Axialmomentberechnungsvorrichtung 5 und einem
Ergebnis einer Schätzung durch die Fremdmomentberechnungsvorrichtung 6. Wie
in 2 gezeigt ist, ist eine Moment schätzeinheit 8 so
aufgebaut, dass sie die Winkelgeschwindigkeits-/Winkelbeschleunigungsberechnungseinheit 4,
die Axialmomentberechnungsvorrichtung 5, die Fremdmomentschätzvorrichtung 6 und
die Gasdruckmomentberechnungsvorrichtung 7 umfasst.
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Die
in 2 gezeigte Verbrennungszustandsschätzeinheit
umfasst darüber hinaus eine Gasdruckarbeitsberechnungsvorrichtung 9a und
eine Verbrennungszustandsschätzvorrichtung 9b.
Die Gasdruckarbeitsberechnungsvorrichtung 9a berechnet
eine Gasdruckarbeit entsprechend einem Ergebnis einer Berechnung durch
die Gasdruckmomentberechnungsvorrichtung 7. Die Verbrennungszustandsschätzvorrichtung 9b schätzt
einen Verbrennungszustand eines Verbrennungsmotors entsprechend
mindestens einem der Ergebnisse einer Berechnung durch die Winkelgeschwindigkeits-/Winkelbeschleunigungsberechnungsvorrichtung 3,
die Gasdruckmomentberechnungsvorrichtung 7 und die Gasdruckarbeitsberechnungsvorrichtung 9a und gibt
ein Schätzungsergebnis davon aus.
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Nachstehend
wird speziell beschrieben, wie die Verbrennungszustandsschätzeinheit
nach der vorliegenden Ausführungsform, die in den 1 und 2 gezeigt
ist, eine Kurbelwinkelgeschwindigkeit und eine Kurbelwinkelbeschleunigung
berechnet, ein von einem Motor abgegebenes Moment schätzt
und einen Verbrennungszustand des Motors schätzt. 3 ist
ein Ablaufschema, das spezifische Verhaltensabläufe der Verbrennungszustandsschätzeinheit
nach der vorliegenden Ausführungsform zeigt.
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Im
Schritt S1, der in 3 gezeigt ist, erfasst die Kurbelwinkelerfassungsvorrichtung 1 eine
Zeit tn, die einem Kurbelwinkel θn (n = 1, 2, ..., NAbtastwert)
entspricht, entsprechend einem Signal, das vom Kurbelwinkelsensor 50 her übertragen
wird, wobei NAbtastwert die Anzahl von Stichprobenabtastwerten
bezeichnet und der Kurbelwinkel θn einen
kumulativen Winkel angibt. In einem Fall, bei dem der Kurbelwinkelsensor 50 einen
Rotor ohne fehlenden Zahn und ohne Größenveränderung
abtastet, hat eine Kurbelwinkelteilung θn+1 – θn einen konstanten Wert Δθ =
2π/NImpuls (NImpuls bezeichnet
die Anzahl von Zähnen des Rotors inklusive irgendeines fehlenden
Zahns (irgendwelcher fehlender Zähne)). Da jedoch ein wirklicher
Rotor oftmals einen fehlenden Zahn und eine Fertigungsschwankung
aufweist, wird die Kurbelwelle 22 zuvor um 360 Grad gedreht,
um den Kurbelwinkel θn im Hinblick
auf die Zähne exklusive irgendeines feh lenden Zahns (irgendwelcher
fehlender Zähne)) zu schätzen und zu ermitteln.
Auch in einem Fall, bei dem eine Schwankung nicht zuvor ermittelt
werden kann, muss der Kurbelwinkel θn im
Hinblick auf die Zähne exklusive irgendeines fehlenden
Zahns (irgendwelcher fehlender Zähne) berechnet werden.
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Im
Schritt S2 von 3 berechnet die Kurbelwinkelkorrekturvorrichtung 2 eine
Zeit <Zirkumflex>tj (tj mit einem darüber gesetzten ”^” ist
im Text als <Zirkumflex>tj ausgedrückt)
bei einem Kurbelwinkel <Zirkumflex>θj (θj mit einem darüber gesetzten ”^” ist
im Text als <Zirkumflex>θj ausgedrückt)
mit der Kurbelwinkelteilung Δθ entsprechend dem
Kurbelwinkel θn und der Zeit tn, die diesem entspricht. Die Zeit <Zirkumflex>tj kann mit
Verwendung des kubischen Spline-Interpolationsverfahrens berechnet
werden, das allgemein bekannt ist.
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Im
Schritt S3 von 3 berechnet die Winkelgeschwindigkeits-/Winkelbeschleunigungsberechnungsvorrichtung 3 eine
Kurbelwinkelgeschwindigkeit und eine Kurbelwinkelbeschleunigung
der Kurbelwelle entsprechend dem Kurbelwinkel <Zirkumflex>θj in
einem vorbestimmten Kurbelwinkelbereich und die Zeit <Zirkumflex>tj,
die diesem entspricht. In einem Fall, bei dem der Motor ein Viertakter
ist und Zylinder mit der durch NZylinder bezeichneten
Anzahl hat, ist der vorbestimmte Kurbelwinkelbereich wünschenswerter
Weise gleich einem ganzen Vielfachen von 4π/NZylinder (Radiant)
in Bezug auf die Periodizität des Motorprozesses. Es wird
davon ausgegangen, dass es Abtastwerte für die Anzahl im
vorbestimmten Kurbelwinkelbereich gibt, die durch NBereich bezeichnet
werden. Der einfacheren Beschreibung halber, wird ein Index für
den Kurbelwinkel <Zirkumflex>θj im
vorbestimmten Kurbelwinkelbereich und die Zeit <Zirkumflex>tj, die diesem
entspricht, als j = 1, 2, ..., NBereich ausgedrückt.
Es wäre anzumerken, dass ein Kurbelwinkel <Zirkumflex>θj und
eine Zeit <Zirkumflex>tj,
die diesem entspricht, wobei j = NBereich +
1 ist, in einer anschließenden Berechnung anzuwenden sind.
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Nachstehend
ist speziell beschrieben, wie eine Kurbelwinkelgeschwindigkeit und
eine Kurbelwinkelbeschleunigung einer Kurbelwelle zu berechnen sind.
Zu Beginn wird in einem Fall, bei dem Kurbelwinkel auf einer horizontalen
Achse und Zeiten auf einer vertikalen Achse angegeben sind, eine
Funktion t(θ) berücksichtigt, die einen Punkt
am Kurbelwinkel <Zirkumflex>θj und
die diesem entsprechende Zeit <Zirkumflex>tj enthält, um
eine Gleichung 2 unter Verwendung von α zu definieren,
das in Gleichung 1 enthalten ist. Im Hinblick auf die Periodizität
des Motorprozessse kann Gleichung 2 als eine periodische Funktion
angesehen werden, die einen Zyklus des vorbestimmten Kurbelwinkelbereichs
aufweist.
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[Gleichung 2]
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Indem
Gleichung 2 im Hinblick auf θ differenziert und ein Ergebnis
davon vereinfacht wird, erhält man eine Winkelgeschwindigkeit <Punkt>θ(θ)
(θ mit einem darüber gesetzten ”.” ist
im Text als <Punkt>θ ausgedrückt),
die eine Funktion des Kurbelwinkels θ ist.
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Bei
der eigentlichen Berechnung wird dx(<Zirkumflex>θ
j)/dθ entsprechend
einem Abtastpunkt x
j von x(θ) erhalten,
worin x
j = <Zirkumflex>t
j – α<Zirkumflex>θ
j (j
= 1, 2, N
Bereich) ist, um <Punkt>θ(<Zirkumflex>θ
j)
zu berechnen. Wenn die diskrete Fourier-Transformierte von x
j durch X(ω)(|ω| ≤ π/Δθ)
angegeben wird, erhält man dx(<Zirkumflex>θ
j)/dθ durch
die inverse diskrete Fourier-Transformierte von iωX(ω),
worin i eine imaginäre Einheitszahl ist.
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Eine
Winkelbeschleunigung <Doppelpunkt>θ(θ)
(θ mit einem darüber gesetzten ”..” wird
im Text als <Doppelpunkt>θ bezeichnet)
erhält man beim Kurbelwinkel θ ent sprechend der
Gleichung 4. d2t(<Zirkumflex>θj)/dθ2 erhält man durch die inverse diskrete
Fourier-Transformierte von (iω)2X(ω).
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Bei
der Berechnung der Kurbelwinkelgeschwindigkeit und der Kurbelwinkelbeschleunigung
nach den Gleichungen 3 und 4 ist es möglich, Hochfrequenzkomponenten
von X(ω) zu beseitigen. Schwankungen bei der Erfassung
oder Rauschkomponenten können im Kurbelwinkelsensor 50 reduziert
werden, indem Frequenzkomponenten beseitigt werden, die Frequenzen
aufweisen, die höher sind als eine vorbestimmte Frequenz
(die Hochfrequenzkomponenten) von X(ω). Die vorbestimmte
Frequenz gibt die niedrigste Frequenz an, die in Frequenzkomponenten
enthalten ist, die zur Berechnung einer Kurbelwinkelgeschwindigkeit
und einer Kurbelwinkelbeschleunigung nicht von Belang sind.
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Das
vorstehende Berechnungsverfahren übernimmt die durch Gleichung
2 ausgedrückte periodische Funktion, um die Kurbelwinkelgeschwindigkeit
und die Kurbelwinkelbeschleunigung im vorbestimmten Kurbelwinkelbereich
zu erhalten. Allerdings ist die vorliegende Erfindung nicht darauf
beschränkt, sondern es kann auch eine Fensterfunktion bei
der Berechnung übernommen werden. Im Spezielleren werden
bei der Berechnung einer Kurbelwinkelgeschwindigkeit und einer Kurbelwinkelbeschleunigung,
worin j = 1, 2, ..., NBereich ist, <Zirkumflex>θj und <Zirkumflex>tj angewendet,
worin j = –M + 1, ..., NBereich +
M ist (M ist eine geeignete natürliche Zahl).
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Die
Kurbelwinkelgeschwindigkeit und die Kurbelwinkelbeschleunigung von
j = 1, 2, ..., NBereich werden entsprechend
den Gleichungen 3 und 4 berechnet, deren x(θ) in Gleichung
5 durch x'(θ) ersetzt werden, nachdem x'(θ) auf
eine Fensterfunktion angewendet wurde, die durch Gleichung 6 ausgedrückt
ist. Die Gleichung 6 enthält geeignete konstante Zahlen
a und d, wie etwa a = 10 und d = 4. Die Übernahme einer
Fensterfunktion wie derjenigen, die durch Gleichung 6 ausgedrückt
ist, ermöglicht eine genaue Berechnung einer Kurbelwinkelgeschwindigkeit
und Kurbelwinkelbeschleu nigung selbst dann, wenn sich die Drehzahl
des Motor schnell verändert. Es ist festzuhalten, dass
das Verfahren zur Berechnung einer Kurbelwinkelgeschwindigkeit und
Kurbelwinkelbeschleunigung mit Einsatz einer Fensterfunktion nicht
auf den durch die Gleichungen 5 und 6 ausgedrückten Fall
beschränkt ist.
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[Gleichung 5]
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x'(θ) = t(θ) – α(θ – θ ^1) – t ^1
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4 ist
eine graphische Darstellung und zeigt beispielhafte Kurbelwinkelbeschleunigungen,
die durch die Winkelgeschwindigkeits-/Winkelbeschleunigungsberechnungsvorrichtung 3 berechnet
werden. In 4 sind die Kurbelwinkel auf
einer horizontalen Achse angegeben, und die Kurbelwinkelbeschleunigungen sind
auf einer vertikalen Achse angegeben, worin die Kurbelwinkelbeschleunigungen
für mehrere Zündzyklen übereinandergelegt
sind. Nach 4 hat die Winkelbeschleunigung
einen Spitzenwert aufgrund der Verbrennung beim Kurbelwinkel von
um die 40 (Grad).
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Im
Schritt S4 von 3 berechnet die Axialmomentberechnungsvorrichtung 5 ein
Axialmoment entsprechend der Bewegungsgleichung, die das System
betrifft, das den Kolben 20, die Pleuelstange 21 und
die Kurbelwelle 22 umfasst. Dementsprechend erfolgt die
hochgenaue Schätzung des an der Kurbelwelle 22 bestehenden
Axialmoments.
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Nachstehend
wird speziell eine Bewegungsgleichung beschrieben, die von der Axialmomentberechnungsvorrichtung 5 verwendet
wird. Um das Thema zu vereinfachen, wird auf eine Bewegungsgleichung
im Hinblick auf einen Zylinder eingegangen. 6 ist ein
Modellschaubild, das den Kolben 20, die Pleuelstange 21 und
die Kurbelwelle 22 zeigt. In 6 wird davon
ausgegangen, dass die Kurbelwelle 22 horizontal angeordnet
ist und der Kolben 20 einen oberen Totpunkt hat, der sich
auf einer vertikalen Linie der Kurbelwelle 22 befindet.
In 6 gibt die x-Achse eine Richtung an, die in einer
horizontalen Ebene orthogonal zur Kurbelwelle 22 ist, und
die y-Achse gibt die vertikale Richtung an. Darüber hinaus
zeigt 6 einen Kurbelwinkel θ und einen Neigungswinkel ϕ der
Pleuelstange 21.
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Der
Kolben 20 besitzt eine Masse m. Die Pleuelstange 21 hat
eine Länge l, eine Masse ml, ein
Trägheitsmoment Il, einen Schwerpunkt
Gl und, ausgehend vom Schwerpunkt Gl zu einem Kurbelzapfen 28, eine Länge ρll. Die Kurbelwelle 22 hat einen
Kurbelradius r, eine Masse mr, ein Trägheitsmoment
Ir, einen Schwerpunkt Gr und,
ausgehend von der Mitte der Kurbelwelle 22 zum Schwerpunkt
Gr, eine Länge ρrr, wobei λ = l/r ist und eine Schwerkraftbeschleunigung
durch g bezeichnet ist.
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Berechnet
wird eine kinetische Energie K und eine potentielle Energie U des
gesamten Systems, das den Kolben 20, die Pleuelstange 21 und
die Kurbelwelle 22 umfasst, die in 6 gezeigt
sind. Die Bewegungsgleichung im Hinblick auf dieses System erhält
man, indem die Lagrange-Gleichung, die durch Gleichung 7 ausgedrückt
ist, entsprechend der Lagrangeschen Definition L = K – U
berechnet wird. In Gleichung 7 ist ein Gasdruckmoment durch Q bezeichnet,
und ein Fremdmoment wie etwa ein Reibungsmoment, ist durch F bezeichnet.
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Wenn
davon ausgegangen wird, dass das gesamte System ein Trägheitsmoment
I(θ) an der Kurbelwelle 22 und eine potentielle
Schwerkraftenergie Ug(θ) hat, wird
die kinetische Energie K, die potentielle Energie U und die Bewegungsgleichung
für das gesamte System durch die Gleichungen 8, 9 bzw.
10 ausgedrückt.
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[Gleichung 8]
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[Gleichung 9]
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[Gleichung 10]
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I(θ)θ .. + 12 I'(θ)θ .2 + G(θ) = Q + F
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In
Gleichung 10 ist G(θ) = ∂Ug(θ)/∂θ,
sowie I'(θ) = dI(θ)/dθ.
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Die
durch Gleichung 10 ausgedrückte Bewegungsgleichung enthält
I(θ), I'(θ) und G(θ), die vereinfacht werden,
wie durch Gleichung 11, 12 bzw. 13 ausgedrückt ist.
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[Gleichung 13]
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G(θ) = –gr{(mp + ml + ρrmr)sinθ +
(mp + ρlml)tanϕcosθ}
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In
diesen Gleichungen ist ϕ = sin–1((1/λ)sinθ).
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Das
Gasdruckmoment Q ist durch Gleichung 14 ausgedrückt.
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[Gleichung 14]
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Q = q(t)r(sinθ + tanϕcosθ)
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In
Gleichung 14 ist durch q(t) eine Gasdruckkraft bezeichnet, die den
Kolben 20 mit Druck beaufschlagt.
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Der
Viertakt-Vierzylinder-Reihenmotor, der mit der Kurbelwelle 22 ausgestattet
ist, bei der es sich um einen starren Körper handelt, hat
die Funktionen I(θ), I'(θ), G(θ) und
Q(θ), die jeweils als Gleichungen 15 bis 18 von den Gleichungen
11 bis 14 abgeleitet sind.
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[Gleichung 17]
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G(θ) = –4gr(mp + ρlml)tanϕcosθ
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[Gleichung 18]
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Q(θ) = r(q1(t)
+ q4(t))(sinϕ + tanϕcosθ)
+
r(q2(t) + q3(t))
(–sinθ + tanϕcosθ)
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In
diesen Gleichungen besitzt die Kurbelwelle 22 ein an sie
angeschlossenes Schwungrad, und das Schwungrad weist ein Trägheitsmoment
Iw auf. Der Kolben 20 im k-ten
Zylinder wird mit einer Gasdruckkraft qk(t)
beaufschlagt.
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Die
vorstehend beschriebene Bewegungsgleichung ist lediglich ein Beispiel,
und die Bewegungsgleichung, die von der Axialmomentberechnungsvorrichtung 5 übernommen
wird, ist nicht auf diese beschränkt. Alternativ ist es
möglich, eine Bewegungsgleichung anzuwenden, die in Übereinstimmung
mit dem Zwei-Massen-Modell approximiert wird, in dem die in 6 gezeigte
Pleuelstange 21 nur an zwei Punkten eine Masse aufweist,
und zwar am Kurbelende (einem kurbelwellenseitigen Ende) und einem
Kolbenende (einem kolbenseitigen Ende). Wenn die Bewegungsgleichung
in Übereinstimmung mit dem Zwei-Massen-Modell approximiert
wird, können die Gleichungen 15 bis 17 jeweils zu den Gleichungen
19 bis 21 vereinfacht werden.
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[Gleichung 19]
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I(θ) = {Iw +
4Ir + 4mr(ρrr)2 + 4ml1r2}
+ 4r2(mp + ml2)(sin2θ + tan2ϕcos2θ)
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[Gleichung 21]
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G(θ) = –4gr(mp + ml2)tanϕcosθ
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In
diesen Gleichungen ist die Masse am Kurbelende (dem kurbelwellenseitigen
Ende) mit ml1 bezeichnet, und die Masse
am Kolbenende (dem kolbenseitigen Ende) ist mit ml2 bezeichnet.
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Die
Axialmomentberechnungsvorrichtung 5 berechnet ein Axialmoment
Tr(θ, <zPunkt>θ, <Doppelpunkt>θ, das als die linke Seite der
Gleichung 10 definiert ist, bei der es sich um eine Funktion eines
Kurbelwinkels, einer Kurbelwinkelgeschwindigkeit und einer Kurbelwinkelbeschleunigung
handelt, entsprechend der Kurbelwinkelgeschwindigkeit und Kurbelwinkelbeschleunigung,
die durch die Wingelgeschwindigkeits-/Winkelbeschleunigungsberechnungsvorrichtung 3 berechnet
werden.
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Im
Schritt S5 von 3 schätzt die Fremdmomentschätzvorrichtung 6 ein
Fremdmoment entsprechend dem Axialmoment beim besonderen Kurbelwinkel.
Dementsprechend erfolgt eine genaue Schätzung des Fremdmoments
wie etwa des Reibungsmoments oder eines Aufstandslast.
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Nachstehend
ist speziell beschrieben, wie ein Fremdmoment zu schätzen
ist. Die Fremdmomentschätzvorrichtung 6 nutzt
die Tatsache, dass bei einem Kurbelwinkel von θ = 0, π,
die sich an einem oberen und unteren Totpunkt des Kolbens befinden,
die Gleichungen 16 bis 18 jeweils gleich Null sind, und dass die durch
Gleichung 10 ausgedrückte Bewegungsgleichung zu derjenigen
von Gleichung 22 wird.
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[Gleichung 22]
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Die
Fremdmomentschätzvorrichtung 6 schätzt
dann ein Fremdmoment F, indem auf die Gleichung 22 die Kurbelwinkelbeschleunigung
angewendet wird, die durch die Winkelgeschwindigkeits-/Winkelbeschleunigungsberechnungsvorrichtung 3 berechnet
wird. Das Fremdmoment F kann unter einer Annahme geschätzt werden,
dass das Fremdmoment F einen konstanten Wert hat, indem ein Mittelwert
von Fremdmomenten gebildet wird, die entsprechend den Kurbelwinkelbeschleunigungen
an den oberen und unteren Totpunkten der mehreren Kolben 20 berechnet
werden, oder indem das allgemein bekannte Kalman-Filter o. dgl.
auf die Fremdmomente angewendet wird, die entsprechend den Kurbelwinkelbeschleunigungen
an den oberen und unteren Totpunkten der Kolben 20 berechnet
werden. Darüber hinaus kann das Fremdmoment F alternativ
dadurch geschätzt werden, dass ein Fremdmoment entsprechend
der Kurbelwinkelbeschleunigung am oberen und unteren Totpunkt des
Kolbens 20 in einem bestimmten Zylinder berechnet wird.
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Die
Fremdmomentschätzvorrichtung
6 richtet sich nicht
nur auf einen Viertakt-Vierzylindermotor, sondern lässt
sich auch auf eine andere Art von Motor anwenden. Im Spezielleren
wird davon ausgegangen, dass ein mit einer beliebigen Anzahl von
Zylindern ausgestatteter Motor eine Lagrangesche Funktion L(θ, <Punkt>θ) im Hinblick
auf einen Kurbelwinkel θ und eine Kurbelwinkelgeschwindigkeit <Punkt>θ hat. In
einem Fall, bei dem im Hinblick auf einen geringen Veränderungsbetrag ∂θ bei
einem bestimmten Kurbelwinkel θ* die Lagrangesche Definition
L(θ, <Punkt>θ) eine Symmetrie
L(θ* + ∂θ, <Punkt>θ)
= L(θ* – ∂θ, <Punkt>θ) aufweist,
haben ein Trägheitsmoment I(θ) an der Kurbelwelle
22 und
eine potentielle Schwerkraftenergie U
g(θ)
eine Symmetrie I(θ* + ∂θ) = I(θ* – ∂θ)
bzw. U
g(θ* + ∂θ)
= U
g(θ* – ∂θ).
Eine solche Symmetrie ist in einem Fall offensichtlich erfüllt,
bei dem ein Mechanismus eines Zielsystems (im vorstehenden Beispiel
das System, das den Kolben
20, die Pleuelstange
21 und
die Kurbelwelle
22 umfasst) im Hinblick auf eine Transformation
von (θ* + ∂θ) zu (θ* – ∂θ)
symmetrisch ist. Wenn die Bedingungen für die Symmetrie
beim Kurbelwinkel θ* erfüllt sind, sind die Ableitungen
des Trägheitsmoments I(θ) an der Kurbelwelle
22 und
der potentiellen Schwerkraftenergie U
g(θ) im
Hinblick auf θ, I'(θ) bzw. G(θ) beim
Kurbelwinkel θ* gleich Null.
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Ein
Viertakt-Einzelzylindermotor hat einen Kurbelwinkel θ*
= 0, π (dem oberen und unteren Totpunkt des Kolbens 20).
Darüber hinaus haben der obere und untere Totpunkt des
Kolbens 20 jeweils ein Gasdruckmoment Q, das gleich Null
ist. Entsprechend wird die Bewegungsgleichung am oberen und unteren
Totpunkt durch Gleichung 22 ausgedrückt.
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Die
vorstehenden Einzelheiten im Hinblick auf den Viertakt-Einzelzylindermotor
treffen auch im Hinblick auf den Viertakt-Vierzylinder-Reihenmotor
zu. Ein solcher Kurbelwinkel θ* wird als der besondere
Kurbelwinkel bezeichnet, bei dem eine Bewegungsgleichung als eine
Verhältnisgleichung zwischen dem Trägheitsmoment
I(θ), der Kurbelwinkelbeschleunigung <Doppelpunkt>θ und dem Fremdmoment F ausgedrückt
wird. Die Fremdmomentschätzvorrichtung 6 schätzt
das Fremdmoment F, indem die Gleichung 22 bei diesem besonderen
Kurbelwinkel θ* angewendet wird.
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Das
Fremdmoment F kann auch dann geschätzt werden, wenn die
Gleichung 22 nicht streng, sondern nur annähernd konsistent
ist. Im Falle eines Viertakt-Sechszylinder-Reihenmotors ist die
Gleichung 22 annähernd konsistent, weil am oberen Totpunkt
jedes Kolbens 20 ein Kurbelwinkel θ = 0, ± 2π/3,
dementsprechend I'(θ) = 0, G(θ) = 0 und ein Gasdruckmoment
Q einen angemessen kleinen Wert hat. Jeder Kurbelwinkel, bei dem
Gleichung 22 annähernd konsistent ist, wird durch die Fremdmomentschätzvorrichtung 6 als
der besondere Kurbelwinkel angesehen.
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Im
Schritt S6 von
3 berechnet die Gasdruckmomentberechnungsvorrichtung
7 ein
Gasdruckmoment <Zirkumflex>Q entsprechend dem
Axialmoment T
r(θ, <Punkt>θ, <Doppelpunkt>θ), das von
der Axialmomentberechnungsvorrichtung
5 ermittelt wird,
und einem Fremdmoment <Zirkumflex>F, das durch die Fremdmomentschätzvorrichtung
6 geschätzt
wird. Im Spezielleren erhält man das Gasdruckmoment <Zirkumflex>Q dadurch, dass das
geschätzte Fremdmoment <Zirkumflex>F vom Axialmoment T
r(θ, <Punkt>θ, <Doppelpunkt>θ) abgezogen
wird.
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5 ist
eine graphische Darstellung und zeigt beispielhafte Gasdruckmomente,
die durch die Gasdruckmomentberechnungsvorrichtung 7 berechnet
werden. In 5 sind die Kurbelwinkel jeweils
auf einer horizontalen Achse und die Momente auf einer vertikalen
Achse angegeben. In 5 sind Werte eines Gasdruckmoments
Q1, die durch die Gasdruckmomentberechnungsvorrichtung 7 berechnet
wurden, sowie zu Vergleichszwecken, Werte eines entsprechend den
Innendrücken des Zylinders berechneten Gasdruckmoments
Q2 gezeigt, die zusammen mit den Kurbelwinkeln gemessen wurden.
Wie aus 5 hervorgeht, stimmt das durch
die Gasdruckmomentberechnungsvorrichtung 7 berechnete Gasdruckmoment
Q1 genau mit dem Gasdruck moment Q2 überein, das entsprechend
dem Innendruck des Zylinders berechnet wurde.
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Im
Schritt S7 von 3 berechnet die Gasdruckarbeitsberechnungsvorrichtung 9a eine
Gasdruckarbeit WQ, indem das Gasdruckmoment <Zirkumflex>Q, das durch die Gasdruckmomentberechnungsvorrichtung 7 berechnet
wird, im Hinblick auf den Kurbelwinkel θ in den vorbestimmten
Kurbelwinkelbereich integriert wird. Dementsprechend wird die Gasdruckarbeit
WQ genau berechnet, die den Verbrennungszustand
im vorbestimmten Kurbelwinkelbereich widerspiegelt.
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Im
Schritt S8 von 3 schätzt die Verbrennungszustandsschätzvorrichtung 9b den
Verbrennungszustand des Verbrennungsmotors entsprechend den Werten
der durch die Winkelgeschwindigkeits-/Winkelbeschleunigungsbrechnungsvorrichtung 3 berechneten
Kurbelwinkelbeschleunigung <Doppelpunkt>θ, des durch
die Gasdruckmomentberechnungsvorrichtung 7 berechneten
Gasdruckmoments <Zirkumflex>Q und/oder der durch
die Gasdruckarbeitsberechnungsvorrichtung 9a berechneten
Gasdruckarbeit WQ.
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Im
Spezielleren ist die Verbrennungszustandsschätzvorrichtung 9b in
der Lage zu schätzen, ob die Gasdruckarbeit WQ eine
erforderliche Arbeit durch Verbrennung im Verbrennungsmotor erzeugt
und ob eine Fehlverbrennung auftritt oder nicht. Die Verbrennungszustandsschätzvorrichtung 9b ist
auch in der Lage, Verbrennungsschwankungen zwischen den Zylindern
zu schätzen, indem die Gasdruckarbeiten WQ der
Zylinder miteinander verglichen werden. Darüber hinaus
ist die Verbrennungszustandsschätzvorrichtung 9b in
der Lage, einen Schwankungsgrad in der Verbrennung im Verbrennungsmotor
zu schätzen, indem ein COV-Wert (ein Wert, den man erhält,
indem eine Standardabweichung der Gasdruckarbeit WQ durch
einen Mittelwert von dieser dividiert wird) der Gasdruckarbeit WQ berechnet wird.
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Die
Verbrennungszustandsschätzvorrichtung 9b berechnet
eine Gasdruckspitzenposition und eine Größenordnung
von dieser entsprechend dem Gasdruckmoment <Zirkumflex>Q, um zu schätzen, ob der Zündzeitpunkt
geeignet ist, ob eine Fehlverbrennung auftritt und ob eine abnormale
Verbrennung (wie etwa Klopfen oder Vorzündung) verursacht
wird oder nicht. Alternativ berechnet die Verbrennungszustandsschätzvorrichtung 9b eine
Schwankungsbetrag des Gasdruckmoments <Zirkumflex>Q, um eine abnormale Verbrennung abzuschätzen.
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Die
Abschätzung des Verbrennungszustands durch die Verbrennungszustandsschätzvorrichtung 9b kann
in einem Fall vereinfacht werden, bei dem die Kurbelwinkelbeschleunigung <Doppelpunkt>θ anstelle
des Gasdruckmoments <Zirkumflex>Q eingesetzt wird.
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Wie
vorstehend beschrieben, ist die Verbrennungszustandsschätzvorrichtung 9b in
der Lage, den Zustand des Verbrennungsmotors entsprechend den Werten
der Kurbelwinkelbeschleunigung <Doppelpunkt>θ, des Gasdruckmoments <Zirkumflex>Q und/oder der Gasdruckarbeit
WQ oder einem Wert zu erfassen, den man
durch Kombination einiger dieser Werte erhält.
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Die
Verbrennungszustandsschätzeinheit nach der vorliegenden
Ausführungsform umfasst die Winkelgeschwindigkeits-/Winkelbeschleunigungsberechnungseinheit 4,
die mit der Kurbelwinkelerfassungsvorrichtung 1, der Kurbelwinkelkorrekturvorrichtung 2 und
der Winkelgeschwindigkeits-/Winkelbeschleunigungsberechnungsvorrichtung 3 ausgestattet
ist, um eine hochgenaue Berechnung einer Kurbelwinkelgeschwindigkeit und
einer Kurbelwinkelbeschleunigung durchzuführen. Es ist
anzumerken, dass die Verbrennungszustandsschätzeinheit
nach der vorliegenden Ausführungsform eine Kurbelwinkelgeschwindigkeit
und eine Kurbelwinkelbeschleunigung nicht mit einem Zylinderinnendrucksensor
genau berechnet, sondern mit einem Kurbelwinkelsensor. Die Verbrennungszustandsschätzeinheit
nach der vorliegenden Ausführungsform ist deshalb höchst
beständig und auch über einen längeren
Zeitraum funktionsfähig.
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Die
Verbrennungszustandsschätzeinheit nach der vorliegenden
Ausführungsform umfasst darüber hinaus die Momentschätzeinheit
8,
die mit der Winkelgeschwindigkeits-/Winkelbeschleunigungsberechnungseinheit
4,
der Axialmomentberechnungsvorrichtung
5, der Fremdmomentschätzvorrichtung
6 und
der Gasdruckmomentberechnungsvorrichtung
7 ausgestattet
ist, um eine hochgenaue Schätzung eines Axialmoments T
r(θ, <Punkt>θ, <Doppelpunkt>θ), eines
Fremdmoments F und eines Gasdruckmoments Q durchzuführen. Darüber
hinaus umfasst die Verbrennungszustandsschätzvor richtung
nach der vorliegenden Ausführungsform die Momentschätzeinheit
8,
die Gasdruckarbeitsberechnungsvorrichtung
9a und die Verbrennungszustandsschätzvorrichtung
9b,
um eine genaue Erfassung eines Zustands eines Verbrennungsmotors
sowie eine Energieeinsparung und Abnahme bei der Abgabe von Abgas
im Verbrennungsmotor durchzuführen.
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Obwohl
die Erfindung im Detail aufgezeigt und beschrieben wurde, ist die
vorangehende Beschreibung in allen Aspekten veranschaulichend und
nicht einschränkend. Es ist deshalb klar, dass zahlreiche
Abänderungen und Varianten angedacht werden können,
ohne dabei vom Rahmen der Erfindung abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2005-61371 [0003, 0003, 0004, 0004, 0005, 0005]
