DE102022202221A1

DE102022202221A1 - Verfahren zum Bestimmen eines Druckverlaufs in einem Fluidspeicher

Info

Publication number: DE102022202221A1
Application number: DE102022202221.1A
Authority: DE
Inventors: Lars Empacher; Michael Hilsch; Joerg Schmitt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-03-04
Filing date: 2022-03-04
Publication date: 2023-09-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Druckverlaufs in einem Fluidspeicher (18), der einem bestimmten Fluidbewegungsvorgang (B) zuzuordnen ist, wobei bei einem Fluidbewegungsvorgang (A1, A2, B) Fluid in den Fluidspeicher (18) eingebracht oder aus dem Fluidspeicher (18) entnommen wird, wobei ein Verlauf (V) eines Drucks (p) in dem Fluid-Speicher (18) für ein Intervall (T) erfasst wird, wobei das Intervall (T) zwei aneinander angrenzende Teilintervalle (T/2) aufweist, wobei in jedem der zwei Teilintervalle ein Fluidbewegungsvorgang erster Art (A1, A2) liegt, und wobei innerhalb des Intervalls (T) ein Fluidbewegungsvorgang zweiter Art (B) liegt, der zumindest teilweise mit zumindest einem der Fluidbewegungsvorgänge erster Art (A1, A2) überlappt, wobei aus dem Verlauf (V) des Drucks ein Berechnungsverlauf (V`) bestimmt wird, der in einem ersten der zwei Teilintervalle dem ersten Teilintervall des Verlaufs abzüglich eines zweiten der zwei Teilintervalle des Verlaufs entspricht, und der im zweiten Teilintervall dem zweiten Teilintervall des Verlaufs abzüglich des ersten Teilintervalls des Verlaufs entspricht, und wobei basierend auf dem Berechnungsverlauf (V`) der Druckverlauf (V'') in dem Fluidspeicher (18) bestimmt wird, der dem Fluidbewegungsvorgang zweiter Art (B) zuzuordnen ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Druckverlaufs in einem Fluidspeicher, der einem bestimmten Fluidbewegungsvorgang zuzuordnen ist, sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
Hintergrund der Erfindung
In verschiedenen Anwendungen kann ein Fluidspeicher zum Einsatz kommen, bei dem in einem Fluidbewegungsvorgang durch einen oder mehrere Anschlüsse Fluid in den Fluidspeicher eingebracht oder durch einen oder mehrere Anschlüsse Fluid aus dem Fluidspeicher entnommen wird. Dabei können Fluidbewegungsvorgänge verschiedener Art überlappen, so dass sie nicht unterscheidbar sind.
Aus der DE 10 2005 006 361 A1 ist eine Möglichkeit bekannt, eine durch eine Einspritzung hervorgerufene Druckveränderung zu bestimmen. Hierzu muss bei der Erfassung der Druckveränderung das gesamt System geschlossen sein, d.h. es dürfen während dieser Zeit keine Fluidbewegungsvorgänge stattfinden.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Bestimmen eines Druckverlaufs in einem Fluidspeicher sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Die Erfindung beschäftigt sich mit dem Bestimmen eines Druckverlaufs in einem Fluidspeicher, der einem bestimmten Fluidbewegungsvorgang zuzuordnen bzw. von diesem verursacht ist. Bei einem solchen Fluidbewegungsvorgang wird dabei Fluid - üblicherweise durch einen oder mehrere Anschlüsse - in den Fluidspeicher eingebracht oder aus diesem entnommen. Als Fluid kommen hier z.B. Flüssigkeiten, ebenso aber Gase in Betracht.
Ein typisches und bevorzugtes Anwendungsbeispiel für die Erfindung ist ein Hochdruckspeicher einer Brennkraftmaschine, wobei die Fluidbewegungsvorgänge Nachförderungen von Kraftstoff in den Hochdruckspeicher z.B. durch eine Hochdruckpumpe und Kraftstoffentnahmen durch Einspritzvorgänge z.B. durch Kraftstoffinjektoren in Brennräume der Brennkraftmaschine umfassen. Es soll nun ein Verlauf eines Drucks in dem Fluid-Speicher erfasst werden, z.B. durch einen Drucksensor am Fluidspeicher. Dieser Verlauf kann zeit- oder winkelbasiert (insbesondere bezogen auf den Kurbelwinkel) erfasst werden.
Das Messintervall wird hierbei derart gewählt, dass es zwei aneinander angrenzende Teilintervalle umfasst, wobei in jedem Teilintervall ein Fluidbewegungsvorgang erster Art liegt. Die Teilintervalle können insbesondere so gewählt werden, dass sie gleich lang sind, was die weitere Verarbeitung vereinfacht. Weiterhin können sie so gewählt werden, dass die jeweiligen Fluidbewegungsvorgänge erster Art (zumindest in etwa) an derselben Stelle, z.B. gleich zu Beginn oder nach einer bestimmten Zeit oder einem bestimmten Winkel nach Beginn des Fluidbewegungsvorgangs, beginnen. Der Fluidbewegungsvorgang erster Art kann ein Fördervorgang der Hochdruckpumpe sein.
Außerdem wird das Intervall derart gewählt, dass innerhalb des Intervalls ein Fluidbewegungsvorgang zweiter Art liegt, der zumindest teilweise mit zumindest einem der Fluidbewegungsvorgänge erster Art überlappt. Ein Fluidbewegungsvorgang zweiter Art kann z.B. ein Einspritzvorgang sein, der beginnt, während gerade ein Fördervorgang der Hochdruckpumpe erfolgt.
Wird die Pumpe (wie meist üblich) mittelbar oder unmittelbar von der Kurbelwelle angetrieben, kann ein Intervall z.B. einer oder zwei Umdrehungen der Kurbelwelle entsprechen. Bei genau zwei Teilintervallen wäre dann jedes eine halbe bzw. eine Umdrehung der Kurbelwelle lang. An dieser Stelle sei jedoch erwähnt, dass das Intervall auch mehr als zwei Teilintervalle aufweisen kann, z.B. drei oder vier. Auch dann wird die Bedingung, dass ein Fluidbewegungsvorgang zweiter Art zumindest teilweise mit zumindest einem der Fluidbewegungsvorgänge erster Art überlappt, erfüllt sein.
Aus dem Verlauf des Drucks wird ein Berechnungsverlauf bestimmt, der in einem ersten der zwei Teilintervalle dem ersten Teilintervall des Verlaufs abzüglich eines zweiten der zwei Teilintervalle des Verlaufs entspricht. Im zweiten Teilintervall entspricht der Berechnungsverlauf dann dem zweiten Teilintervall des Verlaufs abzüglich des ersten Teilintervalls des Verlaufs. Auf diese Weise kann der Anteil der Fluidbewegungsvorgänge erster Art herausgerechnet werden, da dieser in beiden Teilintervallen gleich ist oder zumindest als gleich angenommen werden kann. Basierend auf dem Berechnungsverlauf kann dann der Druckverlauf in dem Fluidspeicher bestimmt werden, der dem Fluidbewegungsvorgang zweiter Art zuzuordnen ist.
Außerdem kann dann basierend auf dem bestimmten Druckverlauf in dem Fluidspeicher, der dem Fluidbewegungsvorgang zweiter Art zuzuordnen ist, wenigstens ein charakteristischer Wert für diesen Fluidbewegungsvorgang zweiter Art bestimmt werden. Dieser kann z.B. ein Beginn und/oder Ende des Fluidbewegungsvorgang zweiter Art sein, oder auch eine dadurch hervorgerufene Druckänderung, z.B. ein Druckabfall.
Je nach Situation kann es zweckmäßig sein, wenn der Berechnungsverlauf um einen Korrekturterm korrigiert wird, der von einer Druckdifferenz zwischen Anfang und Ende des Intervalls abhängt. Dies kann z.B. dann relevant sein, wenn mehr als zwei Teilintervalle vorhanden sind, sodass es noch weitere Druckänderungen im Intervall gibt, die andernfalls nicht berücksichtigt wären. Unabhängig davon wird aber der relative Druckverlauf des Fluidbewegungsvorgangs zweiter Art bereits ohne den Korrekturterm dargestellt.
Vorzugsweise wird das Intervall derart gewählt, dass der Fluidbewegungsvorgang zweiter Art zumindest in etwa mittig innerhalb des Intervalls liegt. Vorteilhafterweise wird, wenn basierend auf dem Berechnungsverlauf der Druckverlauf in dem Fluidspeicher bestimmt wird, der dem Fluidbewegungsvorgang zweiter Art zuzuordnen ist, von dem Berechnungsverlauf nur ein Teil bzw. Abschnitt berücksichtigt, der eine Grenze zwischen dem ersten Teilintervall und dem zweiten Teilintervall umfasst, und insbesondere eine Länge eines Teilintervalls aufweist. Damit können z.B. Anfang und Ende des Intervalls, wo sich am ehesten Abweichungen ergeben, zu einem gewissen Anteil für den Druckverlauf unberücksichtigt bleiben.
Es ist zweckmäßig, wenn der Fluidbewegungsvorgang zweiter Art höchstens die Länge eines Teilintervalls lang dauert. Dann können auf Basis von zwei oder mehr Teilintervallen die durch die Fluidbewegungsvorgänge erster Art verursachten Druckänderungen zuverlässig herausgerechnet werden. Für den Fall, dass bei mehr als zwei Teilintervallen in einem der Teilintervalle keine durch den Fluidbewegungsvorgang zweiter Art verursachte Druckänderung liegt, kann der in diesem Teilintervall liegende Fluidbewegungsvorgang erster Art bzw. dessen Verlauf von jedem Teilintervall subtrahiert werden, sodass nur der Fluidbewegungsvorgang zweiter Art verbleibt. In diesem Fall kann der Fluidbewegungsvorgang zweiter Art auch länger dauern, nämlich höchstens die Länge des Intervalls abzüglich eines Teilintervalls.
Vorzugsweise wird der Verlauf des Drucks mittels, insbesondere gleichmäßig voneinander beabstandeten, Messpunkten erfasst, sodass jedem Teilintervall gleichviele Messpunkte entsprechen. Dies ist eine typische Art der Messwerterfassung, z.B. auch bei Drucksensoren am Hochdruckspeicher. Beispielsweise wird dort alle 6°KW (Kurbelwinkel) ein Messwert erfasst. Um dann die Teilintervalle möglichst einfach verrechnen zu können, sollten alle Teilintervalle die gleiche Anzahl an Messwerten umfassen. Abweichungen können bspw. durch Inter- oder Extrapolationen oder Entfernen von Messwerten korrigiert werden.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Schließlich ist ein maschinenlesbares Speichermedium vorgesehen mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm wie oben beschrieben. Geeignete Speichermedien bzw. Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich. Ein solcher Download kann dabei drahtgebunden bzw. kabelgebunden oder drahtlos (z.B. über ein WLAN-Netz, eine 3G-, 4G-, 5G- oder 6G-Verbindung, etc.) erfolgen.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 zeigt schematisch ein Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine mit einer Hochdruckpumpe, bei der ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist.
2 zeigt schematisch Volumenstrom- und Druckverläufe zur Erläuterung der Erfindung.
3 zeigt schematisch mögliche Fluidbewegungsvorgänge, bei denen die Erfindung zum Einsatz kommen kann.
4 bis 7 zeigen schematisch weitere Druckverläufe zur Erläuterung der Erfindung.

Ausführungsform(en) der Erfindung
In 1 ist schematisch und beispielhaft ein Kraftstoffeinspritzsystem 10 einer Brennkraftmaschine 40 gezeigt. Dieses umfasst beispielhaft eine elektrische Kraftstoffpumpe 14, mittels welcher Kraftstoff aus einem Kraftstofftank 12 entnommen und über einen Kraftstofffilter 13 zu einer Hochdruckpumpe 15 gefördert werden kann. Der Bereich vor der Hochdruckpumpe 15 stellt somit einen Niederdruckbereich dar. Die Hochdruckpumpe 15 ist in der Regel mit der Brennkraftmaschine 40 bzw. deren Nocken- oder Kurbelwelle verbunden und kann damit angetrieben werden.
Die Hochdruckpumpe 15 weist z.B. zwei Förderwerke und entsprechend z.B. auch zwei elektrische Saugventile 16 (nur eines dargestellt) auf. Es findet eine sog „doppelsynchrone“ Pumpenförderung statt. Entsprechend sind die beiden Förderwerke der Hochdruckpumpe 15 mit einem Hochdruckspeicher 18, dem sog. Rail, verbunden, und zwar hier an jeweils einem Anschluss 18.1. Über jeden der Anschlüsse 18.1 kann also Kraftstoff in den Hochdruckspeicher eingebracht werden. Die beiden Förderwerke können auch mit nur einem Anschluss fluidleitend verbunden sein.
Außerdem ist an dem Hochdruckspeicher 18 eine Mehrzahl - hier vier - von Kraftstoffinjektoren 19 angeschlossen, hier jeweils an einem Anschluss 18.2. Über jeden der Anschlüsse 18.2 kann also Kraftstoff aus dem Hochdruckspeicher entnommen werden. Die Kraftstoffinjektoren 19 können auch mit nur einem Anschluss fluidleitend verbunden sein. Über die Kraftstoffinjektoren 19 kann Kraftstoff in die Brennkraftmaschine 40 eingebracht werden.
Weiterhin ist am Hochdruckspeicher 18 ein Drucksensor 20 vorgesehen, der dazu eingerichtet ist, einen Druck des Kraftstoffs im Hochdruckspeicher 18 zu erfassen.
Weiterhin ist eine als Steuergerät ausgebildete Recheneinheit 80 gezeigt, die beispielhaft dazu eingerichtet ist, die Brennkraftmaschine 40 bzw. die Kraftstoffinjektoren 19 und die Hochdruckpumpe 15 mit den elektrischen Saugventilen 16 anzusteuern. Das Steuergerät 80 kann Signale des Drucksensors 20 einlesen und so den Druck im Hochdruckspeicher 18 erfassen und verarbeiten.
Bei einem typischen Betrieb dieses Kraftstoffeinspritzsystems 10 kommt es z.B. vor, dass ein Fördervorgang mit einem Einspritzvorgang zeitlich überlappt, sodass im Verlauf des Drucks, wie er im Hochdruckspeicher erfasst wird, nicht direkt der Druckverlauf zu erkennen ist, der alleine aus dem Einspritzvorgang resultiert. Dennoch ist es häufig wünschenswert, einen Begin oder ein Ende eines solchen Fördervorgangs oder eines Einspritzvorgangs oder eines dadurch verursachten Druckabfalls zu bestimmen. Anhand dieses Beispiels soll nachfolgend eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens näher beschrieben werden.
Wie erwähnt, lässt sich das vorgeschlagene Verfahren aber auf jede Art von unter Druck stehendem Fluid (nicht nur Kraftstoff) in einem Fluidspeicher (nicht nur einem Hochdruckspeicher) anwenden, aus dem an einem oder mehreren Anschlüssen bzw. Anschlusspunkten Fluid, also Gas- oder Flüssigkeitsmengen, entnommen und nachgefördert werden. Entnahmen oder Nachförderungen werden nachfolgend auch als Fluidbewegungsvorgänge bezeichnet.
Mittels des Drucksensors kann der Druck im Fluidspeicher z.B. mit mehreren Abtastwerten in einem Zeitintervall T erfasst werden. Die Abtastung kann zeitsynchron z.B. abhängig von einem Timer erfolgen oder winkelsynchron abhängig z.B. vom Drehwinkel einer Kurbel- oder Nockenwelle, wie erwähnt. Es könnte anstelle eines Zeitintervalls also auch ein Winkelintervall verwendet werden - allgemein also ein Intervall. Nachfolgend wird die Rede von Zeitpunkten sein, was aber äquivalent durch Drehwinkel ersetzt werden kann. In 2 sind hierzu beispielhaft Volumenström Q und Drücke p bzw. deren Verläufe über der Zeit t aufgetragen.
Das System wird so betrieben, dass in einem Zeitintervall T zwei gleichartige Fluidbewegungsvorgänge erster Art, nachfolgend auch mit A1 und A2 bezeichnet, hintereinander und angrenzend aneinander stattfinden; zugleich soll ein weiterer, dazu unterschiedlicher Fluidbewegungsvorgang zweiter Art, nachfolgend auch mit B bezeichnet, stattfinden.
Wie nachfolgend skizziert, bedeutet gleichartig insbesondere, dass die Volumenströme der Fluidbewegungsvorgänge A1 und A2 über einem Teilintervall, hier einem Zeitintervall T/2, in etwa den gleichen oder einen sehr ähnlichen Verlauf aufweisen, wie in 2 links dargestellt. Der Fluidbewegungsvorgang B beginnt und endet innerhalb des Zeitintervalls T mit grundsätzlich beliebigem Anfangszeitpunkt, er dauert aber vorzugsweise höchstens T/2 an, d.h. ein Volumenstrom fließt maximal für die Zeitdauer T/2. Im Übrigen soll der Volumenstrom Null bzw. vernachlässigbar gering sein.
Auf der rechten Seite der 2 sind die Druckänderungen im Fluidspeicher, die durch die Fluidbewegungsvorgänge A1 und A2 (oben) und durch den Fluidbewegungsvorgang B (unten) verursacht werden, dargestellt. Da die Volumenströme von A1 und A2 gleich oder sehr ähnlich sind, ergibt sich auch ein gleicher bzw. sehr ähnlicher Druckanstieg dp_A durch die beiden Fluidbewegungsvorgänge. Der Fluidbewegungsvorgang B erzeugt für sich betrachtet den Druckabfall dp_B.
Für verschiedene Anwendungen kann es von Interesse sein, Informationen über den Fluidbewegungsvorgang B aus der Druckmessung trotz Überlagerung durch die Fluidbewegungsvorgänge A1 und/oder A2 zu gewinnen. Zum einen kann es von Interesse sein, den Start- und Endzeitpunkt des Fluidbewegungsvorgangs B zu ermitteln („Lokalisierung“) und zum anderen auch den Anteil, den der Fluidbewegungsvorgang B (bereinigt um die Effekte von A1 und A2) zur Druckänderung beiträgt („Trennung“).
Häufig, aber nicht zwangsläufig notwendig, ist ein periodischer Betrieb, bei dem sich die Fluidbewegungsvorgänge A1 und A2 nacheinander zusammen im Zeitintervall T wiederholen, z.B. wenn es sich um eine Pumpe handelt, die Fluid über zwei Stempel oder Förderwerke nachfördert. Häufig wiederholt sich auch der Vorgang B periodisch im Zeitintervall T, ggf. auch in einem festen Wiederholraster an unterschiedlichen Anschlüssen.
Ein solches, periodisches Raster kann z.B. wie in 3 dargestellt, aufgebaut sein. Dieser Fall stellt sich z.B. bei dem in 1 gezeigten Kraftstoffeinspritzsystem ein, wobei an den zwei Anschlüssen 18.1 die Fluidbewegungsvorgänge A1 und A2 mit zuströmenden Mengen und an den vier Anschlüssen 18.2 die Fluidbewegungsvorgänge B1 bis B4 mit ausströmenden Mengen erfolgen. Je Zeitintervall T findet einer der Fluidbewegungsvorgänge B1 bis B4 statt und zeitlich hintereinander die beiden Fluidbewegungsvorgänge A1 und A2. Im Allgemeinen kann z.B. auch nur ein Anschlusspunkt für einen Fluidbewegungsvorgang B vorhanden sein, oder aber beliebig viele.
Eine typische Konfiguration ist hier die „doppelsynchrone“ Pumpenförderung aus 1. Es können aber anstelle von vier Brennräumen bzw. Zylindern mit je einem Kraftstoffinjektor z.B. auch drei, fünf, sechs oder acht sein, und damit also z.B. Fluidbewegungsvorgänge B1 bis B3 bis hin zu B1 bis B8, die sich periodisch wiederholen. Hier kann die Lokalisierung für die Bestimmung von Druckdifferenzen vorteilhaft sein.
Anders als z.B. in der erwähnten DE 10 2005 006 361 A1 vorgeschlagen, ist es mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren nicht (mehr) nötig, den Fluidspeicher bzw. das darin vorhandene Volumen für die Erfassung von Differenzdrücken zu einem „im Wesentlichen geschlossenen System zu machen“, also Fluidbewegungsvorgänge zu unterbinden. Stattdessen kann ein Differenzdruck z.B. durch den Fluidbewegungsvorgang B mit Hilfe der vorgestellten Trennung trotz gleichzeitiger Pumpennachförderung (Fluidbewegungsvorgänge A1, A2) bestimmt werden.
Das nachfolgende Beispiel soll die Schwierigkeit veranschaulichen, den Fluidbewegungsvorgang B bei einer Überlagerung durch die Fluidbewegungsvorgänge A1 und A2 im Drucksignal, d.h. im tatsächlich erfassten bzw. gemessenen Verlauf des Drucks im Fluid- bzw. Hochdruckspeicher zu erkennen.
In 4 sind hierzu mit normierten Werten im oberen Teil ein typischer Verlauf V der Werte p_Mess eines Drucksensors gezeigt, und zwar beispielhaft in einem ein Zeitintervall T mit 10 Abtastwerten von 1 bis 10. Etwa bei den Abtastwerten 5 und 6 ist ein Druckabfall durch eine Entnahme wie dem Fluidbewegungsvorgang B zu erkennen. Davor findet eine Druckerhöhung durch Nachförderung, Fluidbewegungsvorgang A1, statt, danach eine Druckerhöhung durch weitere Nachförderung, Fluidbewegungsvorgang A2.
Im unteren Teil der 4 ist separat die reine Druckänderung Δp durch Entnahme (Fluidbewegungsvorgang B, Verlauf V_B) und Nachförderung (Fluidbewegungsvorgänge A1, A2, Verläufe V_A1, V_A2) dargestellt. Die Summe der linear überlagerten Druckänderungen durch die Fluidbewegungsvorgänge A1, A2 und B ergeben p_Mess. Entgegen der durch p_Mess hervorgerufenen Erwartung, die Entnahme B könnte erst nach Abtastwert 5 beginnen, startet diese bereits nach Abtastwert 4, wird aber durch die gleichzeitig noch stattfindende Nachförderung A1 überlagert. Aus dem in der Realität nur zur Verfügung stehenden Verlauf mit den Werten p_Mess ist es also nicht direkt möglich, Beginn und Ende der Entnahme B zu lokalisieren bzw. den im unteren Teil der 4 dargestellten Anteil V_B der Druckänderung nur durch Fluidbewegungsvorgang bzw. die Entnahme B zu ermitteln.
Die Fluidbewegungsvorgänge A1, A2 und B sind hier im Beispiel Entnahmen und Nachförderungen. Anwendbar ist das vorgeschlagene Verfahren aber, wie erwähnt, ebenfalls für die Kombination von zwei gleichartigen Entnahmen, die eine Nachförderung überlagern. Denkbar sind auch die Überlagerung von ausschließlich Entnahmen oder Nachförderungen, wenngleich dies im Anwendungsbereich Brennkraftmaschine nicht zu erwarten ist. Weitere Verallgemeinerungen bzgl. der Überlagerung eines Fluidbewegungsvorgangs zweiter Art (B) mit mehr als zwei gleichartigen Fluidbewegungsvorgänge erster Art (wie A1, A2) sind ebenfalls möglich.
Im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine spezielle Berechnung bzw. Berechnungsvorschrift erläutert, womit aus dem erfassten Verlauf des Drucks, wie dem Verlauf V mit den Werten p_Mess in 4, der Druckverlauf durch den Fluidbewegungsvorgang B, wie der Verlauf V_B in 4, ohne Beeinflussung durch die beiden Fluidbewegungsvorgänge A1, A2 bestimmt werden kann. Wie erwähnt, sollen die Fluidbewegungsvorgänge A1 und A2 sehr ähnliche Massen- bzw. Volumenstromverläufe aufweisen und der Fluidbewegungsvorgang B sollte vorzugsweise maximal T/2 andauern.
Die Berechnungsvorschrift umfasst eine wechselseitige Subtraktion der beiden Hälften des Druckverlaufes V (mit Werten p_Mess) innerhalb des Zeitintervalls T, sodass der gleichförmige Anteil der Fluidbewegungsvorgänge A1 und A2 aus der Druckmessung bzw. dem Verlauf entfernt wird.
Mit anderen Worten wird aus dem Verlauf V des Drucks auf diese Weise ein Berechnungsverlauf bestimmt, der in einem ersten der zwei Teilintervalle dem ersten Teilintervall des Verlaufs abzüglich eines zweiten der zwei Teilintervalle des Verlaufs entspricht, und der im zweiten Teilintervall dem zweiten Teilintervall des Verlaufs abzüglich des ersten Teilintervalls des Verlaufs entspricht.
Um die Lesbarkeit zu vereinfachen und um zu betonen, dass es sich bei p_Mess um einen Vektor aus Abtastwerten handelt, werden nachfolgend vektorwertige Größen fett dargestellt. Dazu sei der Messvektor p_Mess mit einer geraden Anzahl n an Abtastwerten vom Drucksensor $p_{Mess} = [p1 p2] = [p_{Mess 1} p_{Mess 2 \dots} p_{Mess n}],$
wobei p1 = [p_{Mess 1} p_{Mess 2} ... p_{Mess n/2}] und p2 = [p_Mess n/2+1 p_Mess n/2+2 ... p_Mess n] die beiden Hälften des Druckverlaufs bezeichnen. Die wechselseitige Subtraktion wird durch den Operator ${M*p}_{Mess} = [p 1 -p 2 p 2 -p 1]$
definiert. Wie sich leicht zeigen lässt, ist der Operator M eine additive Abbildung, d.h. es gilt M(v+w) = Mv + Mw. Das Drucksignal p_Mess kann als Addition zweier Summanden dargestellt werden, da sich die Druckänderungen linear überlagern. Der erste Summand ist die Druckänderung durch die Fluidbewegungsvorgänge A1 und A2. Der zweite Summand ist die Druckänderung durch den Fluidbewegungsvorgang B. Die Wirkung des Operators M auf p_Mess kann also separat durch die Wirkung auf die beiden Summanden analysiert werden.
Dies ist in 5 veranschaulicht. Dabei sind beispielhaft Drücke p bzw. deren Verläufe über der Zeit t aufgetragen. Links oben sind die beiden Fluidbewegungsvorgänge A1 und A2 mit ihrem Anteil des Druckverlaufs dargestellt. Links unten ist der Fluidbewegungsvorgang B mit seiner Wirkung auf den Druckverlauf dargestellt. Die linke Seite der 5 entspricht damit im Grunde der rechten Seite der 2.
Die Summe der beiden Verläufe der linken Seite in 5 ergeben den messbaren Verlauf mit den Werten p_Mess. Auf der rechten Seite der 5 ist die Wirkung des Operators auf den jeweiligen Anteil im Druckverlauf dargestellt. Nachdem die Fluidbewegungsvorgänge A1 und A2 sehr ähnlich verlaufen, verbleibt in der Abbildung rechts oben nach Anwendung des Operators M nur noch ein konstanter negativer Wert, der zur Mitte des Intervalls T auf einen positiven Wert springt.
Um den Einfluss der Fluidbewegungsvorgänge A1 und A2 gänzlich zu eliminieren, ist es zweckmäßig, nach Anwendung von M in der ersten Intervallhälfte den Wert dp_A zu addieren und in der zweiten Intervallhälfte dp_A zu subtrahieren.
Der Verlauf in der Abbildung rechts unten entsteht durch die Anwendung von M auf den Fluidbewegungsvorgang B. Hier zeigt sich in der Mitte des Intervalls T ein Sprung mit der Höhe x+y = dp_B. Ziel des vorgeschlagenen Verfahrens ist es insbesondere, den Fluidbewegungsvorgang B bzw. den ihm zuordenbaren Verlauf in seinem Originalverlauf zu erhalten, sodass auch hier eine weitere Kompensation zweckdienlich ist, um den Sprung zu entfernen. Eine Subtraktion von dp_B/2 in der ersten Intervallhälfte und eine Addition von dp_B/2 in der zweiten Intervallhälfte sorgt z.B. dafür, dass der Sprung verschwindet. Zudem ist der Druckverlauf danach bezüglich seiner Maxima immer noch um den Wert Null herum zentriert.
Zusammengefasst ergibt sich also der erweiterte Operator ${Me*p}_{Mess} = [p 1 -p 2 + {dpA-dp}_{B} / 2 p 2 -p 1 -dpA + dpB/2] = [p1-p2 + k p2-p1-k]$
wobei die Addition/Subtraktion der Skalare zu/von Vektoren als Addition/Subtraktion zu jedem einzelnen der Vektorelemente zu lesen ist. Die Erweiterungen von M um zusätzliche Korrekturen abhängig von den Druckdifferenzen wird mit dem Korrekturterm k= dp_A - dp_B/2 zusammengefasst.
Durch Anwendung von M_e auf den ursprünglichen Druckverlauf (z.B. Verlauf V in 4) ergibt sich dann der in 6 skizzierte, um den Einfluss der Fluidbewegungsvorgänge A1 und A2 bereinigte Druckverlauf V` (Berechnungsverlauf). Wie erwartet, liegt der Druckverlauf bzgl. seiner Maxima zentriert um den Wert 0. Weiter beinhaltet der Verlauf zu den korrekten Zeitpunkten den Druckabfall durch den Fluidbewegungsvorgang B, bereinigt von den Einflüssen durch die Fluidbewegungsvorgänge A1 und A2.
Am Rand des Zeitintervalls T verbleiben Spiegelungen von Teilen des Druckabfalls durch den Fluidbewegungsvorgang B. Es ist daher zweckmäßig, das Zeitintervall T so zu wählen, dass der interessierende Fluidbewegungsvorgang B zumindest in etwa in der Mitte stattfindet. Für die Trennung der Signale können dann die Randbereiche des Zeitintervalls T ignoriert werden. Alternativ lässt sich z.B. auch nutzen, dass die Spiegelungen eine positive Steigung aufweisen, während der eigentliche Fluidbewegungsvorgang B eine negative Steigung in seinem Druckverlauf besitzt. Das ist insbesondere für die Lokalisierung nützlich, die nun durch eine Suche nach negativen Steigungen möglich ist.
Hier wird auch deutlich, weshalb der Fluidbewegungsvorgang B bevorzugt maximal T/2 lang dauern sollte: Dauert der Fluidbewegungsvorgang B länger als T/2, so überlagern die Spiegelungen den gewünschten Druckabfall durch den Fluidbewegungsvorgang B und das Verfahren ist ggf. nur noch eingeschränkt einsetzbar.
Der Korrekturterm k ergibt sich als die Hälfte der Druckänderung 2*dp_A - dp_B über das Zeitintervall T. Er lässt sich aus dem ersten und letzten Druckmesswert im Zeitintervall T als $k = (p_{Mess n} - p_{Mess 1}) / 2.$
bestimmen. Statt nur aus den einzelnen Werten p_{Mess n} bzw. p_{Mess 1} kann es sich anbieten, einen Mittelwert aus mehreren Messwerten zu Beginn bzw. Anfang und Ende des Intervalls T zu bilden, um Messrauschen zu verringern. Für die Praxis interessant ist z.B. der häufige Fall, dass die Massenbilanz im Fluidspeicher durch die Fluidbewegungsvorgänge A1, A2 und B ausgeglichen ist, d.h. die Fluidbewegungsvorgänge A1 und A2 fördern so viel Fluid in den Fluidspeicher, wie in Fluidbewegungsvorgang B entnommen wird oder andersherum. In diesem Fall gilt 2*dp_A = dp_B und es folgt k=0, sodass der ursprüngliche Operator M ohne weitere Korrekturen verwendet werden kann. Dadurch entfällt auch das möglicherweise rauschanfällige Berechnen von Druckunterschieden zwischen Beginn und Ende des Intervalls.
Beispielhaft soll nun noch einmal die 2 betrachtet werden. Bei den dort gezeigten Druckverläufen ist die Massenbilanz im Fluidspeicher durch die Fluidbewegungsvorgänge A1, A2 und B ausgeglichen. Durch die Anwendung von M auf den Verlauf V in 4 mit den Werten p_Mess ergibt sich der in 7 dargestellte Druckverlauf V''.
Wie erwartet liegt der Druckverlauf zentriert um den Wert 0 und enthält, wie gewünscht, an den Abtastwerten 4 bis 6 den auch oben gezeigten, von den Einflüssen durch die Fluidbewegungsvorgänge A1 und A2 bereinigten Verlauf des Druckabfalls. Am Abtastwert 10 ist die oben angesprochene Spiegelung des Fluidbewegungsvorgangs B zu erkennen.
Für die Lokalisierung interessiert insbesondere der Bereich mit fallenden Druckwerten (bzw. mit steigenden, falls es sich beim Fluidbewegungsvorgang B um eine Nachförderung handeln würde). Dieser kann durch Bilden der Ableitung von M*p_Mess und Definition eines Schwellwerts ermittelt werden.
Um Speicherplatz in einer ausführenden Recheneinheit zu sparen, ist es möglich, nur die Differenz p1-p2 auszurechnen und zu nutzen, dass die zweite Differenzbildung in der Definition von M die Beziehung p2-p1 = - (p1-p2) erfüllt. Ebenso ist dies bei M_e möglich, wo p1-p2+k = -(p2-p1 -k) gilt.
Steht aus dem Zeitintervall T, währenddessen z.B. genau zweimal Fluidbewegungsvorgänge erster Art stattfinden, eine ungerade Zahl an Abtastpunkten zur Verfügung, so sollte ein Resampling mit einer geraden Zahl an Abtastpunkten stattfinden. Liegen sehr viele Abtastpunkte vor, kann auch vereinfachend der erste oder letzte Abtastwert weggelassen werden.
Um das Verfahren robust gegenüber Störungen zu machen, können Mittelungen oder Filterungen des gemessenen Druckverlaufs p_Mess sinnvoll sein. Handelt es sich um Störfrequenzen mit mehreren oder vielen Perioden innerhalb des analysierten Zeitintervalls, so kann der Einsatz eines Tiefpassfilters für das Signal sinnvoll sein, ggf. sogar in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung, um keine Phasenverschiebung durch die Filterung zu erhalten. Eine zu große Phasenverschiebung könnte die Lokalisierung verfälschen. Handelt es sich um Störungen mit langsameren Frequenzen, so ist es zweckmäßig, mehrere Zeitintervalle T gemeinsam zu betrachten und einen Mittelwert der zugehörigen Messvektoren p_Mess zu bilden.
Das vorgeschlagene Verfahren ist, wie schon erwähnt, erweiterbar für eine beliebige Anzahl von Fluidbewegungsvorgängen A1, A2, A3, ... An, die einen einzelnen Fluidbewegungsvorgang B überlagern. Bevorzugt ist dabei, dass die Volumenströme der Fluidbewegungsvorgänge A1 bis An innerhalb des Intervall-Bruchteils bzw. Teilintervalls T/n gleich oder sehr ähnlich verlaufen. Dann kann ein Fluidbewegungsvorgang B, der Volumenstrom nur innerhalb einer Zeitspanne T/n aufweist, trotz der Überlagerung mit den anderen Fluidbewegungsvorgängen lokalisiert oder getrennt werden.
Ist der Volumenstrom durch den Fluidbewegungsvorgang B in einem der Intervall-Bruchteile T/n vollständig Null, so kann der Verlauf eines der Fluidbewegungsvorgänge A in diesem Teilintervall genutzt werden, um in allen anderen Teilintervallen eine Kompensation vorzunehmen. Dann darf der Fluidbewegungsvorgang B auch einen bis zu (n-1/n)*T dauernden Volumenstrom aufweisen.
Ob es sich bei den Fluidbewegungsvorgängen erster und zweite Art bzw. A und B um Entnahmen oder Nachförderungen handelt, d.h. ob die Volumenströme positiv oder negativ sind, ist für das vorgeschlagene Verfahren, auch bei einer beliebigen Zahl von Fluidbewegungsvorgängen A, nicht von Bedeutung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005006361 A1 [0003, 0035]

Claims

Verfahren zum Bestimmen eines Druckverlaufs in einem Fluidspeicher (18), der einem bestimmten Fluidbewegungsvorgang (B) zuzuordnen ist, wobei bei einem Fluidbewegungsvorgang (A1, A2, B) Fluid in den Fluidspeicher (18) eingebracht oder aus dem Fluidspeicher (18) entnommen wird, wobei ein Verlauf (V) eines Drucks (p) in dem Fluid-Speicher (18) für ein Intervall (T) erfasst wird, wobei das Intervall (T) zwei aneinander angrenzende Teilintervalle (T/2) aufweist, wobei in jedem der zwei Teilintervalle ein Fluidbewegungsvorgang erster Art (A1, A2) liegt, und wobei innerhalb des Intervalls (T) ein Fluidbewegungsvorgang zweiter Art (B) liegt, der zumindest teilweise mit zumindest einem der Fluidbewegungsvorgänge erster Art (A1, A2) überlappt, wobei aus dem Verlauf (V) des Drucks ein Berechnungsverlauf (V`) bestimmt wird, der in einem ersten der zwei Teilintervalle dem ersten Teilintervall des Verlaufs abzüglich eines zweiten der zwei Teilintervalle des Verlaufs entspricht, und der im zweiten Teilintervall dem zweiten Teilintervall des Verlaufs abzüglich des ersten Teilintervalls des Verlaufs entspricht, und wobei basierend auf dem Berechnungsverlauf (V`) der Druckverlauf (V'') in dem Fluidspeicher (18) bestimmt wird, der dem Fluidbewegungsvorgang zweiter Art (B) zuzuordnen ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei weiterhin basierend auf dem bestimmten Druckverlauf (V'') in dem Fluidspeicher (18), der dem Fluidbewegungsvorgang zweiter Art (B) zuzuordnen ist, wenigstens ein charakteristischer Wert für den Fluidbewegungsvorgang zweiter Art (B) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der wenigstens eine charakteristische Wert ausgewählt ist aus: einem Beginn des Fluidbewegungsvorgangs zweiter Art, einem Ende des Fluidbewegungsvorgangs zweiter Art, einer durch den des Fluidbewegungsvorgang zweiter Art hervorgerufenen Druckänderung.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei, wenn basierend auf dem Berechnungsverlauf (V`) der Druckverlauf (V'') in dem Fluidspeicher bestimmt wird, der dem Fluidbewegungsvorgang zweiter Art (B) zuzuordnen ist, der Berechnungsverlauf um einen Korrekturterm korrigiert wird, der von einer Druckdifferenz zwischen Anfang und Ende des Intervalls (T) abhängt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Intervall (T) derart gewählt wird, dass der Fluidbewegungsvorgang zweiter Art (B) zumindest in etwa mittig innerhalb des Intervalls (T) liegt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei, wenn basierend auf dem Berechnungsverlauf (V`) der Druckverlauf in dem Fluidspeicher bestimmt wird, der dem Fluidbewegungsvorgang zweiter Art (B) zuzuordnen ist, von dem Berechnungsverlauf nur ein Teil berücksichtigt wird, der eine Grenze zwischen dem ersten Teilintervall und dem zweiten Teilintervall umfasst, und der insbesondere eine Länge eines Teilintervalls aufweist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Verlauf (V) zeit- oder winkelbasiert erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Fluidbewegungsvorgang zweiter Art (B) höchstens die Länge eines Teilintervalls (T/2) lang dauert.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Intervall (T) wenigstens ein weiteres, Teilintervall umfasst, das an eines der zwei Teilintervalle angrenzt und innerhalb dessen ein Fluidbewegungsvorgang erster Art liegt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Verlauf (V) des Drucks mittels, insbesondere gleichmäßig voneinander beabstandeten, Messpunkten erfasst wird, sodass jedem Teileintervall (T/2) gleichviele Messpunkte entsprechen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei als Fluidspeicher (18) ein Hochdruckspeicher einer Brennkraftmaschine (40) verwendet wird, wobei die Fluidbewegungsvorgänge Nachförderungen von Kraftstoff in den Hochdruckspeicher (18) und Kraftstoffentnahmen durch Einspritzvorgänge in Brennräume der Brennkraftmaschine (40) umfassen.
Recheneinheit (80), die dazu eingerichtet ist, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
Computerprogramm, das eine Recheneinheit (80) dazu veranlasst, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit (80) ausgeführt wird.
Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 13.