-
Die Erfindung geht von einem Verfahren
und von einer Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine
nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche aus.
-
Aus der MTZ 12/2002, Seite 1020 bis
1027 ist ein Verfahren bekannt, bei dem in Abhängigkeit eines Wechseldrehmoments
und einer Motordrehzahl ein indiziertes Moment eines Verbrennungsmotors mit
Hilfe eines Kennfeldes ermittelt wird. Das Wechseldrehmoment wird
bei diesem Verfahren aus einer Winkelgeschwindigkeit, einer Winkelbeschleunigung und
einem Ladedruck geschätzt.
-
Vorteile der
Erfindung
-
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung
mit den Merkmalen der unabhängigen
Ansprüche
haben demgegenüber den
Vorteil, dass der Istwert der Ausgangsgröße der Antriebseinheit der
Brennkraftmaschine, insbesondere des Drehmomentes, in Abhängigkeit
einer aktuellen Motordrehzahl der Brennkraftmaschine, eines aktuellen
Druckes in einer Luftzufuhr der Brennkraftmaschine und einer aktuellen
Zündfrequenzkomponente
der Motordrehzahl ermittelt wird. Auf diese Weise lässt sich
der Istwert vergleichsweise einfach, mit weniger Rechenaufwand und
ohne zusätzliche Sensorik
bestimmen.
-
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch
angegebenen Verfahrens möglich.
-
Besonders vorteilhaft ist es, wenn
die Zündfrequenzkomponente
der Motordrehzahl in Form eines Merkmals bei der Berechnung des
Istwertes der Ausgangsgröße berücksichtigt
wird und wenn das Merkmal aus einer Projektion der Zündfrequenzkomponente
der Motordrehzahl auf eine Gerade gebildet wird. Auf diese Weise
lässt sich
der Istwert eindeutig in Abhängigkeit
der aktuellen Zündfrequenzkomponente
der Motordrehzahl bestimmen.
-
Ein weiterer Vorteil ergibt sich,
wenn die Projektion relativ zu einer Phasenlage der Zündfrequenzkomponente
in einem Leerlauf- oder leerlaufnahen Betrieb der Brennkraftmaschine
durchgeführt wird.
Auf diese Weise lässt
das Merkmal eine möglichst
hohe Empfindlichkeit hinsichtlich der Gaskräfte der Brennkraftmaschine
auf.
-
Besonders vorteilhaft ist es, wenn
das Merkmal durch die Differenz derjenigen Merkmalswerte korrigiert
wird, die sich bei der aktuellen Motordrehzahl, vorzugsweise in
einem Schubbetrieb, bei einem Referenzmotor und dem baureihengleichen
Verbrennungsmotor der Brennkraftmaschine ergeben. Auf diese Weise
können
die Einflüsse
von Geberradfehler-, Massenkraft- und Gaskraftunterschieden zwischen
dem betrachteten Verbrennungsmotor und dem Referenzmotor bei der
Bestimmung der Zündfrequenzkomponente
berücksichtigt
werden.
-
Ein weiterer Vorteil ergibt sich,
wenn der Istwert der Ausgangsgröße abhängig von
einem Mittelwert der Motordrehzahl ermittelt wird. Auf diese Weise
wird die Bestimmung des Istwertes weniger von Schwankungen der Motordrehzahl
beeinträchtigt.
-
Ein weiterer Vorteil ergibt sich,
wenn der Istwert der Ausgangsgröße abhängig von
einem Ladedruck in der Luftzufuhr ermittelt wird. Auf diese Weise kann
auch die Verwendung eines Verdichters zur Verdichtung der der Brennkraftmaschine
zugeführten Luft
bei der Ermittlung des Istwertes der Ausgangsgröße berücksichtigt werden.
-
Ein weiterer Vorteil ergibt sich,
wenn die Zündfrequenzkomponente
aus einem Signal eines Drehzahl- oder Kurbelwinkelsensors durch
Fouriertransformation oder mittels eines Bandpasses ermittelt wird,
dessen Mittenfrequenz etwa der Zündfrequenz
entspricht. Auf diese Weise lässt
sich die Zündfrequenzkomponente
besonders einfach und wenig aufwändig
bestimmen.
-
Zeichnung
-
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert. Es
zeigen 1 ein Blockschaltbild
einer Brennkraftmaschine, 2 ein Funktionsdiagramm
zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung
und 3 eine Darstellung
der Projektion der Zündfrequenzkomponente
auf eine Gerade.
-
Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
-
In 1 kennzeichnet 1 eine
Brennkraftmaschine, beispielsweise eines Kraftfahrzeugs. Die Brennkraftmaschine 1 umfasst
einen Verbrennungsmotor 20, beispielsweise einen Ottomotor
oder einen Dieselmotor. Im Folgenden soll beispielhaft angenommen
werden, dass es sich bei dem Verbrennungsmotor 20 um einen Dieselmotor
handelt. Dem Dieselmotor 20 ist über eine Luftzufuhr 25 Frischluft zugeführt. Die
Strömungsrichtung
der Frischluft in der Luftzufuhr 25 ist in 1 durch einen Pfeil gekennzeichnet. In
der Luftzufuhr 25 ist ein Verdichter 45 angeordnet,
der die dem Dieselmotor 20 zugeführte Frischluft verdichtet.
Dem Verdichter 45 in Strömungsrichtung der Frischluft
in der Luftzufuhr 25 nachfolgend angeordnet ist ein Drucksensor 50.
Der Drucksensor 50 misst den Druck der durch den Verdichter 45 verdichteten
Frischluft in der Luftzufuhr 25 und leitet den Messwert
an einer Vorrichtung 35 weiter, die in diesem Beispiel
eine Motorsteuerung bildet. Die verdichtete Frischluft wird dein
Dieselmotor 20 über
ein in 1 nicht dargestelltes
Einlassventil zugeführt.
Einem Brennraum des Dieselmotors 20 wird über ein
Einspritzventil 55 Kraftstoff zugeführt. Das Einspritzventil 55 wird
dabei von der Motorsteuerung 35 angesteuert, um einen vorgegebenen
Kraftstoffmassenstrom dem Brennraum zuzuführen. Dieser kann bspw. zur
Erzielung eines vorgegebenen Luft-/Kraftstoffgemischverhältnisses
gewählt
sein. Durch die Verbrennung des Luft-/Kraftstoffgemisches wird ein Kolben
eine Zylinders des Dieselmotors 20 bewegt, der wiederum
eine Kurbelwelle des Dieselmotors 20 antreibt. Dies ist
in 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit
nicht dargestellt und erfolgt in dem Fachmann bekannter Weise. Dabei
kann der Dieselmotor 20 auch mehr als einen Zylinder aufweisen, wobei
für jeden Zylinder
ein Einspritzventil vorgesehen ist. Am Dieselmotor 20 ist
ein Drehzahl- oder Kurbelwinkelsensor 30 angeordnet, der
den Kurbelwinkelverlauf erfasst und ein entsprechendes Messsignal
eine Motorsteuerung 35 weiterleitet. Ein übliches
Beispiel erfasst 60 Kurbelwinkel-Lagen pro Umdrehung der
Kurbelwelle. Aus dem Kurbelwinkelverlauf kann die Motorsteuerung 35 in
dem Fachmann bekannter Weise die Motordrehzahl des Dieselmotors 20 ableiten.
Das bei der Verbrennung des Luft-/Kraftstoffgemisches gebildete
Abgas wird über ein
in 1 nicht dargestelltes
Auslassventil des Dieselmotors 20 in einen Abgasstrang 60 ausgestoßen. Die
Strömungsrichtung
des Abgases im Abgasstrang 60 ist in 1 ebenfalls durch-einen Pfeil gekennzeichnet.
Im Abgasstrang 60 ist in diesem Beispiel eine Turbine 65 angeordnet,
die vom Abgas angetrieben wird. Die Turbine 65 ist über eine
Welle 70 mit dem Verdichter 45 verbunden. Somit
wird der Verdichter 45 über
die Welle 70 von der Turbine 65 zur Verdichtung
der dem Dieselmotor 20 zugeführten Frischluft angetrieben.
Die Turbine 65, die Welle 70 und der Verdichter 45 bilden
einen Abgasturbolader. Die Turbine 65 kann wie in 1 dargestellt von der Motorsteuerung 35 zur
Einstellung eines vorgegebenen Verdichterdruckverhältnisses über dem
Verdichter 45 bspw. mittels einer Ladedruckregelung angesteuert
werden. Dabei kann die Motorsteuerung 35 beispielsweise
ein Wastegate der Turbine 65 in dem Fachmann bekannter
Weise zur Einstellung des gewünschten
Verdichterdruckverhältnisses
ansteuern.
-
Erfindungsgemäß geht es um die Ermittlung eines
Istwertes einer Ausgangsgröße einer
Antriebseinheit 5 der Brennkraftmaschine 1. Die
Antriebseinheit 5 umfasst dabei den Dieselmotor 20 und
ein mit diesen in dem Fachmann bekannter Weise zusammenwirkenden
Getriebe, dass in 1 aus
Gründen der Übersichtlichkeit
nicht dargestellt ist. Als Ausgangsgröße der Antriebseinheit 5 wird
in diesem Beispiel ein indiziertes Motordrehmoment MMot gewählt. Alternativ
könnte
auch eine Ausgangsleistung, eine Zylinderfüllung, eine Last oder dergleichen
oder eine von einer der genannten Größen abgeleitete Größe als Ausgangsgröße der Antriebseinheit 5 gewählt werden.
Erfindungsgemäß ist es
nun vorgesehen, das indizierte Motordrehmoment MMot in Abhängigkeit
einer aktuellen Motordrehzahl nmot der Brennkraftmaschine 1,
eines aktuellen Druckes pBoost in der Luftzufuhr 25 der
Brennkraftmaschine 1 und einer aktuellen Zündfrequenzkomponente
ZFK der Motordrehzahl nmot zu ermitteln. Bei dem aktuellen Druck
pBoost kann es sich dabei wie in diesem Beispiel um den Ladedruck
in Strömungsrichtung dem
Verdichter 45 nachfolgend, der vom Drucksensor 50 gemessen
wird, handeln. Alternativ könnte
es sich beim aktuellen Druck pBoost auch ganz allgemein um den so
genannten Saugrohrdruck in Strömungsrichtung
des Frischgases unmittelbar vor dem Dieselmotor 20 handeln,
insbesondere wenn kein Abgasturbolader bzw. kein Verdichter 45 vorgesehen ist.
-
Die Motordrehzahl nmot kann wie im
nachfolgenden angenommen in Form ihres zeitlichen Mittelwertes zur
Bestimmung des Istwertes der Ausgangsgröße herangezogen werden. Dies
hat den Vorteil, dass sich zeitliche Schwankungen in der Motordrehzahl
nmot nicht auf die Bestimmung des Istwertes der Ausgangsgröße auswirken.
Die Zündfrequenzkomponente
ZFK wird in der Motorsteuerung 35 aus dem Messsignal des
Drehzahl- oder Kurbelwinkelsensors 30 beispielsweise durch
Fouriertransformation oder mittels eines Bandpasses ermittelt, dessen
Mittenfrequenz etwa der Zündfrequenz
entspricht. Ist der Dieselmotor 20 beispielsweise als Vierzylindermotor ausgebildet,
so ist die Zündfrequenz
doppelt so groß wie
die Drehzahl der Kurbelwelle, da pro Kurbelwellenumdrehung in zwei
Zylindern gezündet
wird. Pro Kurbelwellenumdrehung finden also zwei Zündungen statt.
Die Zündfrequenzkomponente
ZFK ist also die Transformation des Signals des Drehzahl- oder Kurbelwinkelsensors 30 in
den Frequenzbereich bei der Zündfrequenz.
Die auf diese Weise gemessene Zündfrequenzkomponente
ZFK umfasst eine Amplitude Afzmess und eine Phase phifzmess.
-
Es kann nun vorgesehen sein, dass
das indizierte Motordrehmoment MMot mittels eines ersten Kennfeldes 10 ermittelt
wird. Das erste Kennfeld 10 ist in 2 auch mit KRLast gekennzeichnet. 2 zeigt dabei ein Funktionsdiagramm
zur Ermittlung des indizierten Motordrehmomentes MMot. Eingangsgrößen des
ersten Kennfeldes 10 sind der aktuelle Mittelwert MWnmot
der Motordrehzahl, der aktuelle Ladedruck pBoost und die aktuelle
Zündfrequenzkomponente
ZFK bzw. ein aus ihr berechnetes Merkmal Alfz. Das erste Kennfeld 10 kann
bspw. auf einem Prüfstand
und/oder mittels Fahrversuchen appliziert werden.
-
Zur Berechnung des Merkmals Alfz
ist eine Merkmalberechnungseinheit 85 vorgesehen, der die Amplitude
Afzmess und die Phase phifzmess der aktuell gemessenen Zündfrequenzkomponente
ZFK zugeführt
sind. Die Merkmalberechnungseinheit 85 projiziert die Zündfrequenzkomponente
ZFK auf eine Gerade 15 gemäß 3. Diese Projektion kann vorteilhafter
Weise relativ zu einer Phasenlage der Zündfrequenzkomponente ZFK in
einem Leerlauf- oder leerlaufnahen Betrieb der Brennkraftmaschine 1 durchgeführt wer den.
Die Gerade 15 gemäß 3 repräsentiert dabei die Phasenlage
der Zündfrequenzkomponente
ZFK im Leerlauf bzw. im leerlaufnahen, beispielsweise einem Schubbetrieb
mit niedriger Motordrehzahl der Brennkraftmaschine 1 und weist
gegenüber
der Horizontalen 100 einen Winkel phi_fz_idle auf. Die
Gerade 15 stellt dabei eine Projektionslinie oder Projektionsachse
dar, auf die die Zündfrequenzkomponente
ZFK projiziert wird. In 3 sind
beispielhaft drei verschiedene Zündfrequenzkomponenten
ZFK1, ZFK2, ZFK3 dargestellt. Eine erste Zündfrequenzkomponente ZFK1 für eine hohe
Motordrehzahl weist dabei nach Projektion auf die Projektionsachse 15 eine
erste Amplitude A1_fz1 auf, die einem ersten, der ersten Zündfrequenzkomponente
ZFK1 zugeordneten Merkmal entspricht. Eine zweite Zündfrequenzkomponente
ZFK2 für
eine mittlere Motordrehzahl weist eine Amplitude Afzmess2 und eine
Phase phifzmess2 auf und nach Projektion auf die Projektionsachse 15 eine
zweite projizierte Amplitude A1_fz2 als der zweiten Zündfrequenzkomponente
ZFK2 zugeordnetes Merkmal. Ferner ist in 3 eine dritte Zündfrequenzkomponente ZFK3 für einen
Leerlauf oder einen leerlaufnahen Betrieb dargestellt, die auf der
Projektionsachse 15 liegt und deren Amplitude A1_fz3 daher
bereits der auf die Projektionsachse 15 projizierten Amplitude
entspricht. Erkennbar ist in 3 außerdem,
dass die dritte Zündfrequenzkomponente
ZFK3 im Leerlauf bzw. im leerlaufnahen Betrieb der Brennkraftmaschine 1 mit
geringster Motordrehzahl die höchste Amplitude
und damit eine möglichst
hohe Empfindlichkeit hinsichtlich der Gaskräfte der Brennkraftmaschine 1 aufweist.
Weiterhin ist der Phasenwinkel phi fz_idle im Leerlauf bzw. im leerlaufnahen
Betrieb der Brennkraftmaschine 1 wohl definiert. Deshalb
ist die Projektion der Zündfrequenzkomponenten
auf die Projektionsachse 15 relativ zur Phasenlage der
dritten Zündfrequenzkomponente
ZFK3 im Leerlauf bzw. im leerlaufnahen Betrieb der Brennkraftmaschine 1 vorteilhaft.
-
Die Merkmalsberechnung in der Merkmalsberechnungseinheit 85 erfolgt
daher nach der folgenden Gleichung: A1fz = Afzmess·cos(phifzmess-phi_fz_idle)(1)
-
Das Merkmal Alfz wird dann als Eingangsgröße dem ersten
Kennfeld 10 zugeführt.
Die Verwendung des Merkmals Alfz a1s Eingangsgröße des ersten Kennfeldes 10 hat
zusätzlich
den Vorteil, dass das durch das erste Kennfeld 10 ermittelte
indizierte Motordrehmoment MMot eindeutig ist. Zusätzlich und wie
in 2 dargestellt kann
es vorgesehen sein, dass das Merkmal Alfz vor seiner Eingabe in
das erste Kennfeld 10 noch korrigiert wird. Dabei kann
das Merkmal Alfz durch die Differenz derjenigen Merkmalswerte korrigiert
werden, die sich bei der aktuellen Motordrehzahl, vorzugsweise in
einem Schubbetrieb, bei einem Referenzmotor und dem Dieselmotor 20 der
Brennkraftmaschine 1 ergeben. Wie bereits oben beschrieben
kann dabei die aktuelle Motordrehzahl nmot wiederum zur Vermeidung
von zeitlichen Schwankungen in Form des Mittelwertes MWnmot berücksichtigt
werden. Der Schubbetrieb der Brennkraftmaschine 1 eignet
sich besonders als ein Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 1,
bei dem der Referenzmotor besonders gut mit dem Dieselmotor 20 verglichen
werden kann. Der Mittelwert MWnmot der Motordrehzahl wird dabei
zusätzlich
einem zweiten Kennfeld 75 und einem dritten Kennfeld 80 zugeführt. Das
zweite Kennfeld 75 ist in 2 auch
mit KLSchubMess und das dritte Kennfeld 80 mit KLSchubRef
gekennzeichnet. Das zweite Kennfeld 75 kann bspw. mittels
Fahrversuchen am Bandende der Fertigung der Brennkraftmaschine 1 und/oder
auf einem Prüfstand
adaptiert bzw. appliziert werden. Entsprechend kann das dritte Kennfeld 80 bspw.
mittels Fahrversuchen am Bandende der Fertigung des Referenzmotors
und/oder auf einem Prüfstand
adaptiert bzw. appliziert werden. Das dritte Kennfeld 80 und das
erste Kennfeld 10 werden dabei an demselben Motor bzw.
Fahrzeug ermittelt. Das zweite Kennfeld 75 ist in diesem
Beispiel eine Kennlinie, die in Abhängigkeit des Mittelwertes MWnmot
der Motordrehzahl einen ersten Wert für das Merkmal Alfz des Dieselmotor 20 ausgibt.
Das dritte Kennfeld 80 ist in diesem Beispiel eine Kennlinie,
die in Abhängigkeit
des Mittelwertes MWnmot der Motordrehzahl einen zweiten Wert für das Merkmal
Alfz des zum Dieselmotor 20 baugleichen Referenzmotors
ausgibt. Der erste Wert für
das Merkmal Alfz und der erste Wert für das Merkmal Alfz werden einem
Subtraktionsglied 90 zugeführt. Im Subtraktionsglied 90 wird
der erste Wert für das
Merkmal Alfz vom zweiten Wert für
das Merkmal Alfz abgezogen. Die sich bildende Differenz AfzDelta wird
einem Korrekturglied 95 zugeführt. Das Korrekturglied 95 ist
beispielsweise als Additionsglied ausgebildet. Im Korrekturglied 95 wird
das von der Merkmalberechnungseinheit 85 berechnete Merkmal
Alfz mit der Differenz AfzDelta korrigiert, beispielsweise indem
die Differenz AfzDelta zum berechneten Merkmal Alfz addiert wird.
Am Ausgang des Korrekturgliedes 95 liegt dann das korrigierte
Merkmal Afzkorr an, das dem ersten Kennfeld 10 als Eingangsgröße zugeführt wird.
-
Die Merkmalswerte aus den Kennfeldern 75, 80 enthalten
die Einflüsse
von Geberradfehler-, Massenkraft- und Gaskraftunterschieden zwischen
dem betrachteten Dieselmotor 20 und dem Referenzmotor auf
der Zündfrequenzkomponente
ZFK. Die Geberradfehlerunterschiede ergeben sich auf Grund von Fehlern
der Drehzahl- oder Kurbelwinkelerfassung beim Dieselmotor 20 bzw.
beim Referenzmotor. Die Massenkraftunterschiede ergeben sich auf Grund
von unterschiedlichen Massen des Kolbens oder einzelner Teile des
Kurbeltriebes, d.h. der Verbindung zwischen dem jeweiligen Kolben
und der Kurbelwelle, beim betrachteten Dieselmotor 20 einerseits
und dem Referenzmotor andererseits. Die Gaskraftunterschiede ergeben
sich aus unterschiedlichen Kompressionen der Zylinder beim betrachteten Dieselmotor 20 einerseits
und dem Referenzmotor andererseits.
-
Der so gewonnene korrigierte Merkmalswert Afzkorr
entspricht dann ungefähr
dem Merkmalswert, der sich in dem aktuellen Betriebspunkt, d. h.
beim aktuellen Ladedruck pBoost, der aktuellen Motordrehzahl nmot
bzw. dem aktuellen Mittelwert MWnmot der Motordrehzahl und dem aktuellen
indizierten Motordrehmoment, für
den Referenzmotor messen ließe.
Deshalb kann das erste Kennfeld 10 für alle baugleichen Motoren
verwendet werden. Der Zusammenhang der aktuellen Motordrehzahl nmot
bzw. des aktuellen Mittelwertes MWnmot, des aktuellen Ladedruckes
pBoost, des korrigierten Merkmalswertes Afzkorr und des aktuellen
indizierten Motordrehmomentes MMot muss daher nur einmal im Vorfeld ermittelt
werden. Ergebnis des erfindungsgemäßen Verfahrens ist am Ausgang
des ersten Kennfeldes 10 das aktuelle indizierte Motordrehmoment
MMot.
-
Das Funktionsdiagramm gemäß 2 stellt Mittel zur Bestimmung
des Istwertes des indizierten Motordrehmomentes, also des aktuellen
indizierten Drehmomentes dar, die in 2 mit
dem Bezugszeichen 40 gekennzeichnet sind. Die Mittel 40 können software- und/oder hardwaremäßig in der
Motorsteuerung 35 implementiert sein.
-
Vorteilhaft ist, dass zur Bestimmung
des aktuellen indizierten Motordrehmomentes MMot ein in der Regel
für jeden
Motor verfügbares
Drehzahlsignal des Drehzahl- oder Kurbelwinkelsensors 30 sowie
ein in der Regel für
jeden Motor verfügbares Saugrohr-oder
Ladedrucksignal des Drucksensors 50 verwendet werden kann.
-
Vorteil der Erfindung ist es weiterhin,
dass das aktuelle indizierte Motordrehmoment MMot vielseitig für verschiedene
Funktionen der Brennkraftmaschine 1 zur Verfügung steht,
beispielsweise für Überwachungszwecke,
für eine
Momentenregelung usw.. Unter gewissen Randbedingungen kann es nämlich zu
Situationen kommen, in denen das aktu elle indizierte Motordrehmoment
MMot oder eine davon abgeleitete Größe nicht einem vorgegebenen Wert
entspricht, so z.B. bei einer Fremdverbrennung beim Dieselmotor 20.
Deswegen und z.B. zur Umsetzung einer Momentenregelung ist es wünschenswert und
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
in der beschriebenen Weise realisierbar, das aktuelle indiziere
Motordrehmoment MMot zu kennen.
-
Der erfindungsgemäßen Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung
können
in entsprechender Weise bei einem als Ottomotor ausgebildeten Verbrennungsmotor 20 realisiert
werden. Beim Ottomotor werden die Zündungen in den einzelnen Zylindern
jeweils durch eine Zündkerze
realisiert. Ferner kann die Frischluftzufuhr beim Ottomotor durch
eine Drosselklappe eingestellt werden. Weiterhin kann die Kraftstoffeinspritzung
sowohl beim Ottomotor als auch beim Dieselmotor alternativ auch
in die Luftzufuhr 25, in den Bereich des so genannten Saugrohres
im Beispiel nach 1 zwischen
dem Verdichter 45 und dem Verbrennungsmotor 20 erfolgen.