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Anwendungsgebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ermittlung
des Zeitpunkts des Beginns des Verbrennungsvorgangs in Verbrennungskraftmaschinen,
im Folgenden als Brennbeginn bezeichnet, insbesondere von Dieselmotoren.
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Eine
wesentliche Kenngröße für die Beurteilung
des Verbrennungsverlaufs in Verbrennungskraftmaschinen ist der Brennbeginn.
Die Kenntnis über
den genauen Brennbeginn ist zur Regelung und Steuerung des Verbrennungsverlaufs
sowohl für
den Dieselmotor als auch den Ottomotor notwendig. Beim Ottomotor wird
die Entflammung des Kraftstoff-Luftgemischs durch eine Zündkerze
initiiert. Je nach Entwicklung des Flammenkerns vergeht eine gewisse
Zeit, bis ein vorgegebener Anteil der durch den Kraftstoff zugeführten Wärmemenge
umgesetzt wurde. Beim Ottomotor ist man bestrebt, diesen sogenannten
Zündverzug
gering zu halten, um unkontrollierte Selbstzündungen zu vermeiden.
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Beim
Dieselmotor vergeht zwischen Einspritzzeitpunkt des Kraftstoffs
in den Brennraum und dem Zeitpunkt der Entflammung ebenfalls ein
gewisser Zündverzug.
Der Zündverzug
hängt von
der Art des Kraftstoffs, der Temperatur und dem Druck im Brennraum
ab, daher ist der genaue Zeitpunkt des Verbrennungsbeginns nur schwer
vorhersehbar. Auch hier wird angestrebt, den Zündverzug gering zu halten,
um die Geräuschentwicklung
günstig
zu gestalten, sogenannte Klopfgeräusche zu vermeiden und einen
hohen Wirkungsgrad zu erreichen. Andererseits bewirkt ein später Beginn
der Verbrennung eine Reduktion der Spitzentemperatur und damit eine
Reduktion der Stickoxidbildung. Der Brennbeginn sollte daher möglichst
so geregelt werden können,
dass er aus genannten Gründen
nicht zu früh und
nicht zu spät
erfolgt. Insbesondere bei neueren Verbrennungsmethoden, wie der
homogenen oder teilhomogenen Verbrennung, ist man darauf angewiesen,
den Brennbeginn genau bestimmen zu können, um den Verbrennungsablauf
steuern bzw. regeln zu können.
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Aus
dem Stand der Technik sind direkte und indirekte Verfahren zur Bestimmung
des Verbrennungsbeginns bekannt. Direkte Verfahren basieren auf
der Messung und Auswertung des Brennraumdruckverlaufs. Hierzu wird
der von Sensoren direkt im Brennraum gemessene Druckverlauf thermodynamisch
ausgewertet und man erhält
damit ein Maß für den Brennbeginn.
Diese Methode stellt in der Motorentwicklung das Standardverfahren
dar. Es weist den Nachteil auf, dass der Aufwand für die Sensoren
und die Auswertung sehr hoch ist, besonders da in der Regel in jedem
Zylinder ein Sensor benötigt
wird. Der Einbau der Brennraumdrucksensoren in den Zylinderkopf
ist recht aufwändig.
Problematisch ist auch, dass die Sensoren, die in den Brennraum
hineingerichtet sind, dort dem hohen Druck und der Verbrennung direkt
ausgesetzt sind und meist nicht die erforderliche Dauerfestigkeit
aufweisen. Daher wird dieses direkte Verfahren in der Regel nur
im Labor eingesetzt.
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Indirekte
Verfahren leiten den Brennbeginn zum Beispiel aus Beschleunigungssignalen
ab, die am Zylinderkopf eines oder mehrerer Zylinder gemessen werden.
Die Brennbeginnbestimmung auf der Basis von Beschleunigungssignalen
ist in der Dissertation "Modellbasierte
Regelung ausgewählter
Antriebskomponenten im Kraftfahrzeug" von Ralf Schernewski, Institut für Industrielle
Informationstechnik der Universität Karlsruhe, 1999, 5.132-143
beschrieben worden. Diese Signale werden ähnlich wie bei der Klopferkennung
verarbeitet. Mit Hilfe der Hüllkurvenanalyse
(Bandpass, Gleichrichtung, Tiefpass) werden die Beschleunigungssignale
demoduliert. Anschließend
wird das Demodulationsergebnis integriert und der Winkel, an dem
ein gewisser Schwellwert überschritten
wird, als Maß für den Brennbeginn
benutzt.
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Darüber hinaus
existieren Verfahren, die den Brennbeginn aus Ionenstromsignalen
gewinnen. Ein solches Verfahren ist aus
EP1113255A2 bekannt. Hier
wird eine Ionenstrommessung direkt im Brennraum eines Dieselmotors
durchgeführt,
um anhand von dem somit gewonnenen Ionenstromsignal eine Aussage über den Verbrennungsverlauf
im Brennraum zu treffen.
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Die
auf Beschleunigungsverfahren basierenden indirekten Verfahren haben
den Nachteil des in der Praxis auftretenden geringen Störabstands
der gemessenen Signale gegenüber
nicht verbrennungsbedingtem Körperschall. Öffnungs-
und Schließvorgänge der
Gaswechselventile und sonstige impulsartige Geräusche überlagern sich den Verbrennungsgeräuschen.
Die Erkennung des tatsächlichen
Brennbeginns ist auf Grund des schlechten Störabstands mit großen Unsicherheiten
verbunden. Dies gilt ebenfalls für
Verfahren, die auf Ionenstromsignalen basieren.
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Aus
der
DE 3609245C2 ist
eine Vorrichtung zum Regeln der Leerlaufdrehzahl einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine
entnehmbar. In Spalte 6, Zeilen 17 ff der Druckschrift ist zu entnehmen,
dass bei Betrachtung der Augenblicksdrehgeschwindigkeit die Minimumpunkte
den Verbrennungsstartzeitpunkten entsprechen. Ferner wird ausgeführt, dass
unmittelbar vor jedem Zündzeitpunkt
die momentane Ist-Drehzahl einen Minimalwert erfährt. Diese Annahme gründet auf
der Überlegung,
dass die auf dem jeweiligen Kolben einwirkenden, den Kolben abbremsenden
Kompressionskräfte
unmittelbar vor jedem Zündzeitpunkt
maximal sind, wodurch der Kolben maximal abgebremst wird und somit
die Augenblicksdrehgeschwindigkeit der Kurbelwelle ein Minimum aufweist.
Diese Annahme ist jedoch sehr vereinfacht getroffen worden, da der
Verlauf der Augenblicksdrehgeschwindigkeit und damit die Lage lokaler
Minima unmittelbar von den Druckkräften und den Massenträgheitskräften abhängt, wobei
letztere drehzahlabhängig
sind und somit die Lage lokaler Minima ebenfalls drehzahlabhängig ist.
Bei vergleichsweise geringer Drehzahl, beispielsweise im Leerlauf,
treten die Massenträgheitskräfte gegenüber den
hier dominierenden Druckkräften
in den Hintergrund, so dass in diesem Fall das lokale Minimum der
Augenblicksdrehgeschwindigkeit, hier maßgeblich bestimmt durch auf
Kompression und Expansion zurückgehende
Druckkräfte,
im Bereich des so genannten oberen Totpunkts der Kolbenbewegung
liegt. Selbst für
diesen Fall korreliert die Lage des Brennbeginns nicht mit der Lage
des lokalen Minimums der Augenblicksdrehgeschwindigkeit.
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Tiefergehende Überlegungen
bzgl. dem Schwungverhalten eines sich in einer Zylindereinheit bewegenden
Kolbens führen
demnach zu der Erkenntnis, dass der Brennbeginn bzw. das den Brennvorgang
auslösende
Zündereignis
nicht mit dem lokalen Minimum der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle,
mit der die Kolbenbewegung korreliert ist, verbunden ist. Vielmehr
können
je nach Auslegung der Verbrennungskraftmaschinen die Brennbeginne
pro Zylindereinheit vom Minimumdurchgang der Winkelgeschwindigkeit,
mit der die Kurbelwelle rotiert, erheblich abweichen.
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Aus
der
DE 31 04 698 C2 ist
ein Verfahren zur Erfassung ungleichmäßigen Leerlaufs einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine
bekannt, bei dem die Umdrehungsgeschwindigkeit im Leerlauf der Brennkraftmaschine
ermittelt und ein den zeitlichen Verlauf der Umdrehungsgeschwindigkeit
angebendes elektrisches Signal gebildet wird, das sich dadurch auszeichnet,
dass das den zeitlichen Verlauf der Umdrehungsgeschwindigkeit angebende
elektrische Signal für
jeden Zylinder der Brennkraftmaschine zum Zeitpunkt des Beginns
eines Verbrennungsvorgangs im jeweiligen Zylinder abgefragt wird
und dass aus den auf diese Weise zu den Zeitpunkten des Beginns
eines Verbrennungsvorgangs erhaltenen Minimalwerten der Umdrehungsgeschwindigkeit
Abweichungen zwischen den jeweiligen abgefragten Minimalwerten der
Umdrehungsgeschwindigkeit der einzelnen Zylinder bestimmt werden.
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Aufgabe der Erfindung
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren
für die
sichere Bestimmung des Brennbeginns mit geringem sensorischen Aufwand
bei gutem Störabstand
anzugeben.
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Darstellung
der Erfindung
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Die
Aufgabe wird mit den Verfahren der Ansprüche 1, 2, 6 und 7 gelöst. Weiterbildungen
der Verfahren sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass aus der
Messung der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle und einer digitalen
Weiterverarbeitung der gemessenen Signale mit relativ geringem Aufwand
der Brennbeginn genau und zuverlässig
bestimmt werden kann. Im Gegensatz zu dem oben erwähnten bereits
bekannten Verfahren kann auf Messungen direkt im Brennraum verzichtet
werden. Dies hat den Vorteil, dass die verwendeten Sensoren zur
Messung der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle einem weitaus
geringeren Verschleiß ausgesetzt
sind, als die Sensoren im Brennraum bei den bekannten. Verfahren. Zudem
sind die Störanteile
bei der Erfindung geringer als bei den Verfahren aus dem Stand der
Technik.
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Gemäß der Erfindung
wird zunächst
die Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle bestimmt. Hierzu sind aus
dem Stand der Technik bereits Verfahren bekannt. Eine bevorzugte Ausführungsform
ist in dem Patent
DE4445684C2 „Verfahren
zur Ermittlung von Drehmomenten, Arbeiten und Leistungen an Verbrennungskraftmaschinen" beschrieben. Das
Verfahren beruht auf dem vorzugsweise berührungsfreien Erfassen der Winkelgeschwindigkeit
an einem Drehgeberrad mit Zahnkranz, das auf der Kurbelwelle befestigt
ist. Solch ein Drehgeberrad mit einem Sensor zur Erfassung der Drehbewegung
ist heute standardmäßig in den
meisten Kraftfahrzeugen eingebaut. Durch Differentiation, insbesondere
mit einem FIR-Differenzierfilter, wird die Winkelbeschleunigung
berechnet. In der Patentanmeldung WO03/062620A1 "Verfahren zur Bestimmung und Kompensation
von Geometriefehlern eines Drehgeberrades" wird beschrieben, wie bei diesem Verfahren
geometrische Fehler des Drehgeberrades ermittelt und kompensiert
werden können
und so eine hochgenaue Bestimmung der Winkelgeschwindigkeit realisierbar
ist. Mit der durch diese bekannten Verfahren bestimmten Winkelbeschleunigung
wird dann durch weitere digitale Signalverarbeitung der Brennbeginn
bestimmt. Hierzu werden erfindungsgemäß mehrere Vorgehensweisen vorgeschlagen:
Einerseits kann mit Hilfe des Winkelrucks, der zweiten Ableitung
der Winkelgeschwindigkeit, der Brennbeginn bestimmt werden. Bei
allen anderen beschriebenen Verfahren muss zunächst das Nettodrehmoment bestimmt
werden. Es werden drei Verfahren beschrieben, die auf der Basis
des Phasenwinkels des zylinderspezifischen Nettodrehmoments den
Brennbeginn bestimmen. Es ist auch möglich, den Drehmomentenanteil
resultierend aus Kompression und Expansion rechnerisch zu bestimmen
und damit den rein verbrennungsbedingten Drehmomentenanteil zu berechnen.
Anhand des rein verbrennungsbedingten Drehmomentenanteils lässt sich
der Brennbeginn zum Beispiel durch die Lage einer Schwellwertüberschreitung
ableiten. Ein weiteres Verfahren besteht in der Berechnung des zylinderspezifischen
Druckverlaufs auf Basis des Nettodrehmoments mit Hilfe von modellbasierten
Gleichungen und einer darauf folgenden Druckverlaufsanalyse, mit
der der Brennbeginn bestimmt wird.
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Durch
die relativ einfach realisierbare, genaue Bestimmung des Brennbeginns
lässt sich
der Zeitpunkt des Verbrennungsbeginns auch während des normalen Fahrbetriebs
genau erfassen und regeln, dies ist insbesondere bei neueren Verbrennungsmethoden,
wie der homogenen oder teilhomogenen Verbrennung wichtig. Ein später Beginn
der Verbrennung wird zum Beispiel oft als Mittel zur Reduktion der
Spitzentemperatur und damit zur Reduktion der Stickoxidbildung herangezogen.
Dies ermöglicht
eine kraftstoffsparende und fast rußfreie Verbrennung in Dieselmotoren.
Eine weitere wichtige Anwendung der vorliegenden Erfindung liegt
in der Reduzierung von störenden
Klopfgeräuschen
durch Regelung des Verbrennungsbeginns.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die
beiliegenden Zeichnungen detailliert erläutert. Es zeigen:
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1 ein
Prinzipblockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung
der Winkelbeschleunigung;
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2 ein
Prinzipblockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung
des Brennbeginns basierend auf dem Winkelruck;
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3 ein
Prinzipblockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung
des Brennbeginns basierend auf dem zylinderspezifischen Phasenwinkel
des Nettodrehmoments;
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4 Simulationsergebnisse
für den
Verlauf des Brennraumdrucks bei einem Mitteldruck von ca. 6 bar
und einer Drehzahl von 3000 Upm; der Brennbeginn wurde zwischen
0° und 10° Kurbelwinkel
variiert;
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5 Simulationsergebnisse
für den
Verlauf des Wechseldrehmoments bei einem Mitteldruck von ca. 6 bar
und einer Drehzahl von 3000 Upm in einem Kurbelwinkelbereich von
120°, der
Brennbeginn wurde zwischen 0° und
10° Kurbelwinkel
variiert;
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6 ein
Simulationsergebnis für
den Verlauf des Wechseldrehmoments bei einem Mitteldruck von ca.
6 bar und einer Drehzahl von 3000 Upm vor und nach der digitalen
Tiefpassfilterung;
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7 Simulationsergebnisse
für den
Verlauf des Wechseldrehmoments bei einem Mitteldruck von ca. 6 bar
und einer Drehzahl von 3000 Upm nach der digitalen Tiefpassfilterung
in einem Bereich von 30° Kurbelwinkel
nach dem oberen Totpunkt (OT); der Brennbeginn wurde zwischen 0° und 10° Kurbelwinkel
variiert;
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8 ein
Prinzipblockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung
des Brennbeginns basierend auf dem rein verbrennungsbedingten Drehmomentenanteil;
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9 ein
Prinzipblockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung
des Brennbeginns basierend auf einer Druckverlaufsanalyse des zylinderspezifischen
Druckverlaufs.
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1 zeigt
ein Prinzipblockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung
der Winkelbeschleunigung. In Einrichtung
11 wird zunächst die
Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle, insbesondere anhand eines
berührungsfreien
Erfassens der Drehbewegung eines Drehgeberrads, gemessen. Das Drehgeberrad
weist vorzugsweise einen Zahnkranz auf, so dass die zeitliche Abfolge
der Zähne
in an sich bekannter Weise durch einen Sensor erfasst werden kann.
Das Erfassen der Zähne
als Inkremente erfolgt typischerweise optisch oder induktiv. Das
Drehgeberrad weist aus fertigungstechnischen oder montagebedingten
Gründen unvermeidbare
geometrische Drehgeberradfehler, z.B. nicht exakte Abstände der
Zähne des
Zahnkranzes, auf, die zu Messfehlern der Winkelgeschwindigkeit führen. Die
gemessene Winkelgeschwindigkeit ω
mess ergibt sich durch
mit dem als ideal angenommenen,
konstanten Winkelabstand Δφ
soll zwischen zwei Inkrementen und der Periodendauer ΔT, die aus
der Auswertung des Sensorsignals bestimmt wird. Da das reale Winkelinkrement Δφ
real fehlerbehaftet ist, d.h. Δφ
real = Δφ
soll + Δφ
e, ist auch die gemessene Winkelgeschwindigkeit
fehlerbehaftet. Um die Korrektur durchführen zu können, muss vorab der individuelle
Drehgeberradfehler durch Messungen bestimmt werden. In Einrichtung
17 wird
der Geberradfehler ermittelt, der Fehler wird dann an die Einrichtung
12 weitergegeben,
in der die mit dem Geberradfehler behaftete Winkelgeschwindigkeit
korrigiert wird. Zur Ermittlung des Drehgeberradfehlers und zur
Korrektur des Fehlers sind aus dem Stand der Technik Verfahren bekannt,
bevorzugt wird das Verfahren, das aus der Patentanmeldung WO03/062620A1
bekannt ist. Hier wird bei einer zeitlich veränderlichen Wellendrehzahl eine
Messung des Winkelgeschwindigkeitsverlaufs der Kurbelwelle, sowie
eine Mittelung über
die bei der Messung gewonnenen Wellendrehzahlsignale durchgeführt. Die
Mittelung wird innerhalb eines Wellendrehzahlbereichs durchgeführt, in
dem sich die Auswirkungen der im Verbrennungsmotor auf die Kurbelwelle
einwirkenden Gas- und Massenmomente auf die Kurbelwellenwinkelgeschwindigkeit
gegenseitig zumindest statistisch aufheben. Auf Grundlage des Winkelgeschwindigkeitsverlaufs
werden die Geometriefehler des Drehgeberrads ermittelt. Die zugehörigen Verfahrensschritte
zur Ermittlung und Korrektur des Geberradfehlers sind der genannten
Veröffentlichung
zu entnehmen.
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Durch
die Korrektur des Geberradfehlers erhält man ein sehr genaues Winkelgeschwindigkeitssignal. Dieses
Signal wird in Einrichtung 13 interpoliert, bevorzugt auf
eine Auflösung
von 1° bis
2°, und
danach erfolgt in Einrichtung 14 eine Filterung mit einem
Tiefpass, vorzugsweise mit einem FIR-Tiefpass. Die Interpolation kann
mit jedem bekannten Interpolationsverfahren, wie z.B. lineare Interpolation
oder Splines-Interpolation, durchgeführt werden. Die Grenzfrequenz
des Tiefpasses hängt
von der weiteren Vorgehensweise ab. Wird der Verbrennungsbeginn
mit Hilfe des Winkelrucks ermittelt, muss die ideale Grenzfrequenz
experimentell bestimmt werden. Wird der Verbrennungsbeginn mit Hilfe
des zylinderspezifischen Phasenwinkels des Nettodrehmoments bestimmt,
ist es vorteilhaft, als Grenzfrequenz die Zündfrequenz des Motors zu wählen. Zur
Bestimmung der Winkelbeschleunigung wird in Einrichtung 15 das
Signal differenziert, vorzugsweise wird die Differentiation mit
einem FIR-Differenzierfilter durchgeführt. Die Verwendung von FIR-Filtern
hat den Vorteil, dass Laufzeitverzerrungen vermieden werden und
FIR-Filter stabil sind. Die Laufzeit der Filteranordnung ist konstant
und lediglich von der Filterlänge
abhängig.
Das FIR-Differenzierfilter
hat den weiteren Vorteil, dass die Differenzier-Bandbreite wählbar ist.
Eine Begrenzung der Bandbreite ist bei der Differentiation in der
Regel erforderlich.
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2 zeigt
ein Prinzipblockschaltbild einer Vorrichtung zur Bestimmung des
Brennbeginns basierend auf dem Winkelruck. Der Winkelruck ist die
zweite Ableitung der Winkelgeschwindigkeit und beschreibt damit die Änderung
der Winkelbeschleunigung. Nachdem entweder beim Ottomotor die Zündung bzw.
beim Dieselmotor die Einspritzung erfolgte, ist nach Einsetzen der
Verbrennung der Gradient des Brennraumdrucks höher als bei der Expansion ohne
Verbrennung. Infolgedessen ist auch der Gradient des Nettodrehmoments
der Kurbelwelle höher
als bei der Expansion ohne Verbrennung. Der höhere Gradient beim Einsetzen
der Verbrennung macht sich in einem vergrößerten Winkelruck bemerkbar.
Die Lage des maximalen Winkelrucks stellt ein Maß für den Verbrennungsbeginn dar.
Der Winkelruck wird in Einrichtung 21 aus dem bestimmten
Verlauf der Winkelbeschleunigung 16 durch Differentiation,
wiederum bevorzugt mit einem FIR-Differenzierer, berechnet. Die
Bandbreite des FIR-Differenzierers ist je nach Signal-zu-Stör-Verhältnis (SNR)
an die Bandbreite anzupassen, die auch bei der Berechnung der Winkelbeschleunigung
in Einrichtung 15 verwendet wurde. In Einrichtung 22 wird
im Verlauf des Winkelrucks der Zeitpunkt des maximalen Winkelrucks
in zylinderspezifischen Kurbelwinkelfenstern gesucht. Die linksseitigen
Grenzen der Suchfenster werden durch den Zünd- bzw. den Einspritzzeitpunkt
dynamisch angepasst. Die Werte können
aus der Motorsteuerung übernommen
werden. Die Breite der Suchfenster liegt im Bereich 10° bis 40° Kurbelwinkel.
Der Zeitpunkt des maximalen Winkelrucks in einem zylinderspezifischen
Kurbelwinkelfenster zeigt den zylinderspezifischen Brennbeginn an.
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3 zeigt
ein Prinzipblockschaltbild einer Vorrichtung zur Bestimmung des
Brennbeginns basierend auf dem zylinderspezifischen Phasenwinkel
des Nettodrehmoments. Neben einem höheren Gradienten im Momentenverlauf
bewirkt die Veränderung
des Brennbeginns eine Veränderung
des Phasenwinkel des zylinderspezifischen Momentenanteils. Der zylinderspezifische
Momentenanteil spiegelt den Expansionsvorgang des jeweiligen Zylinders
wieder. Aus der bestimmten Winkelbeschleunigung
16 wird
in Einrichtung
31 zunächst
das Nettodrehmoment, das an der Kurbelwelle anliegt, bestimmt. Das
Nettodrehmoment lässt
sich wie in der Veröffentlichung „Drehmomentenbestimmung
bei Verbrennungsmotoren durch Auswertung der Kurbelwellen-Winkelgeschwindigkeit" von H. Fehrenbach,
W. Held und F. Zuther in Motortechnische Zeitschrift 5/1998 beschrieben
auf Grundlage der Winkelgeschwindigkeit bestimmen. Die Berechnung
basiert auf der folgenden Modellvorstellung der Drehmomentbilanz:
mit
- φ ..
- : Winkelbeschleunigung
der Kurbelwelle
- φ .:
- Winkelgeschwindigkeit
der Kurbelwelle
- Θ:
- Trägheitsmoment des Motors
- Θ':
- Ableitung des Trägheitsmomentes
nach dem Kurbelwinkel
- M g:
- Gleichanteil (Mittelwert)
des Gasdrehmomentes
- M ~g:
- Wechselanteil des
Gasdrehmoments
- M r:
- Reibungsdrehmoment
- M l:
- Lastdrehmoment
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Im
stationären
Fall, d.h. Last und Drehzahl sind konstant, sind das Antriebsmoment
M g und
die Summe aus Reibungsdrehmoment
M r und Lastdrehmoment
M l im Gleichgewicht,
so dass sich aus Gl. (2) ergibt
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Die
linke Seite der Gl. (3) wird Nettodrehmoment genannt und lässt sich
wie folgt bestimmen: Θ und Θ' sind aus den Motordaten
für Geometrie
und Massen zu berechnen. Die Winkelgeschwindigkeit φ . und Winkelbeschleunigung φ .. sind,
wie oben bereits beschrieben, auf Grundlage der Messungen der Winkelgeschwindigkeit
der Kurbelwelle zu bestimmen. Im stationären Fall ergibt demnach die
Bestimmung des Nettdrehmoments das mittelwertfreie Wechseldrehmoment.
Im instationären
Fall gilt die Beziehung aus Gl. (3) nicht, das Nettodrehmoment enthält einen
Gleichanteil, um den der Wechselanteil schwingt, d.h. das Nettodrehmoment ist
nicht mehr mittelwertfrei. Der Gleichanteil kann bei Beschleunigungs-
oder Bremsvorgängen
auch innerhalb eines Arbeitsspiels, das von 0° bis 720° Kurbelwinkel reicht, zeitlich
veränderlich
sein. Näheres
ist der oben genannten Veröffentlichung
zu entnehmen.
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Von
dem in der Einrichtung 31 bestimmten Nettodrehmoment wird
in Einrichtung 32 der zylinderspezifische Phasenwinkel
bestimmt. Der zylinderspezifische Phasenwinkel kann auf verschiedene
Weisen bestimmt werden: Eine Möglichkeit
besteht in der Bestimmung der Lagen der Nulldurchgänge im Verlauf
des Wechseldrehmoments bei stationären Arbeitspunkten, bei denen
Drehzahlen und Last konstant sind. Hierzu sollte zunächst das
Wechseldrehmoment einer Tiefpassfilterung, bevorzugt mit einem FIR-Tiefpass,
unterzogen werden. Um dies zu veranschaulichen, wurden Simulationen
mit einem einfachen, thermodynamischen Modell durchgeführt. Das
Modell geht von einer polytropen Verdichtung und Expansion aus.
Dem daraus resultierenden Druckverlauf überlagert sich die Verbrennung
des Kraftstoff-Luftgemischs, das mit einem einfachen Vibebrenngesetz
beschrieben wird. Entsprechend den Gesetzen der Kurbelmechanik wird
daraus der Verlauf des Drehmoments berechnet. Nach Eliminierung
des mittleren Drehmoments ergibt sich das im Folgenden genannte
Wechseldrehmoment. Die folgenden Simulationen wurden am Beispiel
eines Sechszylinder-Dieselmotors durchgeführt bei einem stationären Arbeitspunkt
mit einem Mitteldruck von ca. 6 bar und einer Drehzahl von 3000
Upm. Der Brennbeginn wurde zwischen 0° und 10° Kurbelwinkel variiert.
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4 zeigt
Simulationsergebnisse für
den Verlauf des Brennraumdrucks für die verschieden variierten Zeitpunkte
des Brennbeginns. Wie erwartet verschiebt sich die durch die Verbrennung
bedingte Spitze im Druckverlauf zu späteren Kurbelwinkeln hin.
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5 zeigt
Simulationsergebnisse für
den Verlauf des Wechseldrehmoments entsprechend den Druckverläufen aus 4.
Die Verläufe
zeigen einen Ausschnitt des Kurbelwinkelbereichs von 120° im Expansionsbereich
eines Zylinders und des daran anschließenden nachfolgenden Zylinders,
der sich in der Kompressionsphase befindet. Die Verschiebung der
verbrennungsbedingten Druckspitze macht sich in einer Verschiebung
des entsprechenden Momentenverlaufs bemerkbar. Die Lage des Nulldurchgangs
im Wechseldrehmoment ist allerdings noch kein eindeutiges Merkmal
für die
Verschiebung des Wechseldrehmoments. Die Wechseldrehmomentenverläufe werden
deswegen in einem weiteren Verarbeitungsschritt einer digitalen
Tiefpassfilterung unterworfen.
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6 zeigt
ein Simulationsergebnis für
den Verlauf des Wechseldrehmoments vor und nach der digitalen Tiefpassfilterung.
Als Tiefpass kam dabei ein FIR-Filter zum Einsatz. Es ist vorteilhaft
für die
Grenzfrequenz des FIR-Filters die Zündfrequenz des Motors, im vorliegenden
Fall demnach bei der 6. Ordnung, zu wählen.
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7 zeigt
Simulationsergebnisse für
den Verlauf des Wechseldrehmoments nach der digitalen Tiefpassfilterung
in einem Bereich von 30° Kurbelwinkel
nach dem oberen Totpunkt (OT). Nach der FIR-Filterung kann der Nulldurchgang
des Wechseldrehmoments als geeignetes Maß für die Verschiebung des Brennbeginns
verwendet werden. Man erkennt, dass die Verschiebung des Brennbeginns
von 0° bis
10° Kurbelwinkel eine
Verschiebung des Nulldurchgangs im Wechseldrehmoment von 5° bis 12° Kurbelwinkel
ergibt.
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Eine
weitere Möglichkeit,
die zylinderspezifischen Phasenwinkel zu ermitteln, besteht darin,
bei Instationärvorgängen die
Lage der Schnittpunkte des Nettodrehmoments mit einem jeweiligen
Ausgleichspolynom des Nettodrehmoments innerhalb des jeweiligen
Arbeitsspiels zu bestimmen. Im instationären Fall enthält das Nettodrehmoment
aus GI. (2) einen Gleichanteil, der sich über mehrere Arbeitspiele zeitlich
verändern
kann. Das Ausgleichspolynom des Nettodrehmoments entspricht einer
Schätzung
des zeitlich veränderlichen Gleichanteils
des Nettodrehmoments. Bevorzugt wird statt einem Ausgleichspolynom
eine Trendgerade, in der Literatur auch oft Regressionsgerade genannt,
berechnet. Als Schätzung
des Gleichanteils wird eine Trendgerade als ausreichend genaue Schätzung des
Gleichanteils angesehen und hat den Vorteil, dass die Berechnung
weniger aufwändig
ist. Im Gegensatz zu dem stationären
Fall geben demnach im instationären
Fall nicht die Schnittpunkte der Wechseldrehmomente mit der Nulllinie,
sondern die Schnittpunkte des Nettodrehmoments mit dem Ausgleichspolynom
bzw. der Trendgeraden ein Maß für den Verbrennungsbeginn
an. Auch hier sollte des Nettodrehmoment zunächst einer Tiefpassfilterung,
bevorzugt mit einem FIR-Filter, unterzogen werden.
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Ein
weiterer Ansatz zur Bestimmung des zylinderspezifischen Phasenwinkels
ist die Analyse des Phasenspektrums. Für die Analyse werden innerhalb
des Kurbelwinkelbereichs jeweils eines Arbeitsspiels, das von 0° Kurbelwinkel
bis 720° Kurbelwinkel
reicht, entsprechend der Anzahl der Zylinder N Kurbelwinkelintervalle
definiert. Jedes somit einem bestimmten Zylinder zugeordnete Intervall
ist dabei so zu wählen,
dass es den maßgeblichen
Expansionsvorgang des jeweiligen Zylinders umfasst. Innerhalb jedes
dieser zylinderspezifischen Intervalle wird das Phasenspektrum mittels
der Fouriertransformation, des Nettodrehmomentenverlaufs bestimmt.
Die Fouriertransformation wird bevorzugt mit einer Fast Fourier
Transformation (FFT), die sich besonders effektiv realisieren lässt, durchgeführt. Aus
den als dominant festzulegenden Ordnungen im Phasenspektrum wird
für jedes
Phasenspektrum ein resultierender Phasenwert ermittelt, der als
ein Maß für den Brennbeginn
verwendet wird. Der Zusammenhang zwischen Phasenwert und Brennbeginn
muss hier in der Form eines Kennfelds eingelernt werden, in welchem
die Abhängigkeit
des Phasenwerts vom Brennbeginn sowie von Drehzahl und Last niedergelegt
ist, d.h. für
verschiedene stationäre
Arbeitspunkte werden die Punkte im Kennfeld bestimmt. Ein Lastwert
kann entweder direkt aus der Motorsteuerung oder mittelbar aus dem
zu bestimmenden Zusammenhang zwischen Nettodrehmoment und Lastdrehmoment
erhalten werden. Für
letzteres Verfahren zur Bestimmung des Lastwerts wird auf die bereits
erwähnte
Veröffentlichung „Drehmomentenbestimmung
bei Verbrennungsmotoren durch Auswertung der Kurbelwellen-Winkelgeschwindigkeit" von H. Fehrenbach,
W. Held und F. Zuther in Motortechnische Zeitschrift 5/1998 verwiesen.
Hier wurde nachgewiesen, dass auf dem Rollenprüfstand bei stationären Bedingungen
zwischen dem Effektivwert des Nettodrehmoments und dem näherungsweise
konstanten Lastdrehmoment M l ein eindeutiger Zusammenhang besteht. Mit Hilfe
eines. entsprechenden Kennfelds, in dem den gemessenen Werten der
Drehzahl und des effektiven Nettodrehmoments Werte für das Lastdrehmoment
zugeordnet werden, kann für
jedes Arbeitsspiel im laufenden Betrieb das momentane Lastdrehmoment
abgelesen werden.
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8 zeigt
ein Prinzipblockschaltbild einer Vorrichtung zur Bestimmung des
Brennbeginns basierend auf dem rein verbrennungsbedingten Drehmomentenanteil.
Zunächst
wird in Einrichtung
31 das Nettodrehmoment aus GI. (2)
wie oben beschrieben bestimmt, dies kann bei stationären Arbeitspunkten
als auch bei Instationärvorgängen durchgeführt werden.
In Einrichtung
81 wird dann unter der Modellannahme einer
polytropen Kompression der Drehmomentenanteil resultierend aus Kompression
und Expansion rechnerisch ermittelt. Nach dem ersten Hauptsatz der
Thermodynamik ist das Modell für
den Druckverlauf bei polytroper Zustandsänderung
mit dem
Anfangsdruck p
1, dem Druck des Endzustands
p
2, dem Anfangsvolumen V
1,
dem Volumen des Endzustands V
2 und dem Polytropenexponenten
n, der allein von den technischen Bedingungen der Zustandsänderung
abhängt.
Als Anfangsdruck der Verdichtung wird der gemessene Ladedruck verwendet.
Der entsprechende Sensor zur Messung des Ladedrucks ist in der Regel
ein Standardsensor, der hinter dem Lader angebracht ist. Aus dem
berechneten Druckverlauf basierend auf Kompression und Expansion
wird entsprechend den Gesetzen der Kurbelmechanik der Verlauf des
Drehmomentenanteils berechnet. Der rein verbrennungsbedingte Drehmomentenanteil
wird durch Subtraktion
82 des Drehmomentenanteils resultierend
aus Kompression und Expansion von dem in Einrichtung
31 bestimmten
Nettodrehmomentenanteil berechnet. In Einrichtung
83 wird
aus dem Verlauf des verbrennungsbedingten Drehmomentenanteils ein
Maß für den Brennbeginn
abgeleitet. Dies kann beispielsweise die Lage einer Schwellwertüberschreitung
oder die Lage des größten Gradienten
sein.
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9 zeigt
ein Prinzipblockschaltbild einer Vorrichtung zur Bestimmung des
Brennbeginns basierend auf einer Druckverlaufsanalyse des zylinderspezifischen
Druckverlaufs. Zunächst
wird in Einrichtung 31 das Nettodrehmoment aus GI. (2)
wie oben beschrieben bestimmt, dies kann bei stationären Arbeitspunkten
als auch bei Instationärvorgängen durchgeführt werden.
In Einrichtung 91 wird der zylinderspezifische Druckverlauf
anhand von modellbasierten Gleichungen berechnet. Über die
rechnerische Superposition der aus den Brennraumdrücken der
einzelnen Zylinder unter Gewichtung mit dem jeweiligen Hebelarm
des Schubkurbelgetriebes sowie der Kolbenfläche erhaltenen Momente und
Gleichsetzung des Superpositionsergebnisses mit dem Nettodrehmoment
ergibt sich für
jeden betrachteten Kurbelwinkel eine Gleichung für die Brennraumdrücke. Zur
Gewinnung des Brennraumdruckverlaufs des fraglichen Zylinders im
Bereich des Kurbelwinkelbereichs, in dem in ihm die Verbrennung
erfolgt, werden bezüglich
der Drücke
in den übrigen,
innerhalb des betrachteten Kurbelwinkelbereichs nicht verbrennenden
Zylindern folgende Annahmen getroffen:
- – Ist innerhalb
des Kurbelwinkelbereichs nur das Einlassventil im jeweiligen Zylinder
geöffnet,
so wird für den
Zylinderdruck der gemessene Ladedruck angenommen.
- – Ist
innerhalb des Kurbelwinkelbereichs nur das Auslassventil im jeweiligen
Zylinder geöffnet,
so wird für den
Zylinderdruck der gemessene Abgasgegendruck angenommen.
- – Sind
innerhalb des Kurbelwinkelbereichs sowohl das Einlass- als auch
das Auslassventil im jeweiligen Zylinder geöffnet, so wird für den Zylinderdruck
der Mittelwert aus gemessenem Ladedruck und gemessenem Abgasgegendruck
angenommen.
- – Befindet
sich der Zylinder innerhalb des Kurbelwinkelbereichs bei geschlossenem
Einlass- und Auslassventil
in der Kompressionsphase, so wird der Zylinderdruck gemäß einer
polytropen Verdichtung mit dem vor der Kompression vorgelegenem
Ladedruck als Anfangsdruck ermittelt.
- – Befindet
sich der Zylinder innerhalb des Kurbelwinkelbereichs bei geschlossenem
Einlass- und Auslassventil
in der Expansionsphase ohne Verbrennung, so wird der Zylinderdruck
gemäß einer
polytropen Expansion ermittelt, die als spiegelbildlich zur vorher
erfolgten polytropen Kompression mit gemessenem Ladedruck als Anfangsdruck
angenommen wird.
-
Als
Lösung
der somit für
jede einzelne Winkelstellung innerhalb des zylinderspezifischen
Kurbelwinkelbereichs erhaltenen Gleichungen wird der Druckverlauf
im verbrennenden Zylinder erhalten. Da aufgrund des verschwindenden
Hebelarms im Bereich des hier fraglichen oberen Totpunkts keine
Druckwerte ermittelt werden können,
muss der Druckverlauf an diesen Stellen interpoliert werden. In
Einrichtung 92 wird der berechnete zylinderspezifische
Druckverlauf einer klassischen, auf der Auswertung des Heizgesetzes
basierenden Druckanalyse unterzogen und es werden hieraus Schätzwerte
für den
Brennbeginn ermittelt.
-
Die
beschriebenen Verfahren zur Bestimmung des Brennbeginns können auch
vorteilhaft miteinander kombiniert werden. Es ist zum Beispiel möglich, zwei
oder mehrere Verfahren parallel durchzuführen. Aufgrund der verschiedenen
Berechnungen ergeben sich in der Regel leicht abweichende Ergebnisse
für den
Zeitpunkt des Brennbeginns. Ein besonders exakte Bestimmung des
Brennbeginns ergibt sich durch die Mittelung der verschiedenen Berechnungsergebnisse
aus den unterschiedlichen beschriebenen Verfahren. Eine andere Möglichkeit
der vorteilhaften Kombination der Verfahren besteht in der Verwendung
der unterschiedlichen Verfahren in Abhängigkeit von dem Arbeitspunkt,
d.h. abhängig
von der momentanen Last und Drehzahl. Es wird dabei davon ausgegangen,
dass die verschiedenen Verfahren für verschiedene Arbeitspunkte
besonders geeignet sind und besonders exakte Ergebnisse liefern.
Dementsprechend sollte das Verfahren dann abhängig von dem Arbeitspunkt gewählt werden.
