DE19900738C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung eines Brennraumdruckverlaufs bei einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Brennraumdruckverlaufs bei einer Brennkraftmaschine, bei denen mittels eines Brennraumdrucksensors Brennraumdruckmeßwerte wenigstens über einen Kompressionsphasen- und/oder Expansionsphasen-Teilbereich eines jeweiligen Brennkraftmaschinen-Arbeitsspiels hinweg aufgenommen werden und der Brennraumdruckverlauf wenigstens über einen Teilbereich eines jeweiligen Arbeitsspiels hinweg mittels einer Auswerteprozedur der aufgenommenen Meßwerte unter Berücksichtigung der Polytropengleichung und eines Sensoroffsets bestimmt wird. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird in der Auswerteprozedur der Brennraumdruckverlauf durch ein Schätzverfahren aus der Polytropengleichung sensoroffsetkorrigiert bestimmt, wobei der Sensoroffset als variable Größe behandelt wird, deren Verlauf anhand eines Vergleichs der geschätzten mit den gemessenen Druckwerten ermittelt wird. Eine verfahrensdurchführende Vorrichtung beinhaltet ein Kalman-Filter zur Durchführung des Schätzverfahrens. DOLLAR A Verwendung z.B. zur Bestimmung des Brennraumdruckverlaufs von Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren mit Thermoschockkompensation.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung ei­ nes Brennraumdruckverlaufs bei einer Brennkraftmaschine sowie auf eine zur Durchführung eines solchen Verfahrens geeignete Vorrichtung.

Es ist bekannt, den Brennraumdruck in Brennkraftmaschinen mit­ tels Brennraumdrucksensoren zu erfassen, denen ein optisches oder piezo-elektrisches bzw. piezo-resistives Sensorprinzip zu­ grundeliegt. Bei beiden Sensorprinzipien beeinflussen die durch den Verbrennungsprozeß im Brennraum auftretenden Temperatur­ schwankungen die Auswertung des Sensorsignals. Durch den auftre­ tenden Wärmestrom verspannt sich die Sensormembran, und dem ei­ gentlichen Nutzsignal überlagert sich eine temperaturabhängige Komponente, wobei eine Kurzzeittemperaturdrift und eine Mittel- /Langzeittemperaturdrift zu unterscheiden sind. Letztere tritt beispielsweise bei Lastwechseln auf, die zu einem mittleren Wär­ mestrom in die Sensormembran führen. Dieser Einfluß ist sehr langsam gegenüber den typischen Nutzsignaländerungen und kann daher z. B. durch eine geeignete Hochpaßfilterung eliminiert wer­ den. Die Kurzzeittemperaturdrift wird von dem kurzzeitigen gro­ ßen Temperaturanstieg bei der Verbrennung verursacht, der zu ei­ ner starken Verspannung der Sensormembran führt. Diese als soge­ nannter Thermoschock bezeichnete Störung liegt im Frequenzbe­ reich des Nutzsignals. Direkt nach Beginn der Verbrennung ver­ spannt sich die Membran am stärksten; danach klingt dieser Ein­ fluß zeitabhängig im weiteren Verlauf eines jeweiligen Arbeits­ spiels wieder ab.

Es wurden bereits verschiedene Verfahren zur Bestimmung des ab­ soluten, d. h. wahren Brennraumdrucks aus dem relativen, d. h. dem gemessenen und mit dem erwähnten Sensorfehlverhalten behaf­ teten Brennraumdruck vorgeschlagen. So kann die Druckmessung des Brennraumdrucksensors mit der Druckmessung eines Saugrohrdruck­ sensors abgeglichen werden, der nicht den starken thermischen Schwankungen im Brennraum ausgesetzt ist. Dieses Verfahren er­ fordert jedoch einen Saugrohrdrucksensor. Alternativ kann eine iterative Nullinienfindung mittels einer Brennverlaufsrechnung durchgeführt werden, was jedoch einen vergleichsweise hohen Re­ chenaufwand erfordert, so daß diese Methode für Brennkraftma­ schinen von Kraftfahrzeugen in der Praxis nur offline, d. h. nicht in Echtzeit durchführbar ist. Weiter alternativ ist eine thermodynamische Nullpunktskorrektur mittels der sogenannten Po­ lytropengleichung an zwei Punkten einer jeweiligen Kompressi­ onsphase möglich, dieses Verfahren reagiert jedoch sehr sensitiv auf Störungen im Drucksignal des Sensors und erlaubt lediglich die Bestimmung eines mittleren, konstanten Offsets des Sensor­ signals, hingegen keinen variablen Offsetverlauf über ein jewei­ liges Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine hinweg.

So ist aus der Offenlegungsschrift DE 195 44 613 A1 ein Verfah­ ren zur dynamischen Korrektur des oberen Totpunktes eines jewei­ ligen Arbeitsspiels während der Auswertung des Brennraumdruck­ verlaufes bekannt, das eine Ermittlung des Kompressionsdruckver­ laufs über ein theoretisches Modell basierend auf dem gemessenen Brennraumdruckverlauf und einen Vergleich des ermittelten mit dem gemessenen Druckverlauf vorsieht, um in Abhängigkeit von der festgestellten Differenz den Druckverlauf um einen zugehörigen Kurbelwinkelwert zu verschieben. Dieser Vorgang wird iterativ so lange wiederholt, bis der anhand des theoretischen Modells er­ mittelte Kompressionsdruckverlauf innerhalb eines vorgebbaren Konvergenzbandes des gemessenen Druckverlaufs liegt. Dem theore­ tischen Modell des Kompressionsdruckverlaufs wird die Polytro­ pengleichung zugrundegelegt, wobei zur Anpassung an den gemesse­ nen Druckverlauf ein variabler Polytropenexponent zugelassen wird, der bestmöglich anhand von zwei Funktionswertpaaren des gemessenen und geglätteten Druckverlaufs ermittelt wird. Die Druckverlaufsverschiebung wird dann in Abhängigkeit von Größe und Richtung der Abweichung des sich anhand des so ermittelten Polytropenexponenten ergebenden theoretischen Druckverlaufs vom gemessenen Druckverlauf vorgenommen.

In dem Zeitschriftenaufsatz C. Burkhardt und M. Bargende, Ther­ moschockkorrektur bei Druckindizierungen mit Zünd- und Glühker­ zenadaptern, MTZ Motortechnische Zeitschrift 56 (1995) 12, Seite 736 wird vorgeschlagen, die aufgrund des Thermoschockeffektes auftretende Kurzzeittemperaturdrift eines in eine Zünd- oder Glühkerze integrierten, ungekühlten Drucksensors aus einem zu­ grundegelegten Wärmestrommodell für die Zünd- bzw. Glühkerze er­ mitteln und das Sensorsignal entsprechend zu korrigieren.

In der Offenlegungsschrift DE 43 26 949 A1 ist für ein Manage­ mentsystem einer Kolbenbrennkraftmaschine eine Lastpunktbestim­ mung anhand von während der Kompressionsphase in mehreren dis­ kreten Kurbelwinkelstellungen mittels eines Brennraumdrucksen­ sors gemessenen Brennraumdruckwerten vorgesehen. Für die hierzu vorgenommene Auswertung des Sensorsignals wird angenommen, daß dieses aus einer zum momentanen Druckwert proportionalen Ana­ logspannung besteht, der ein unbekannter, annähernd konstanter Gleichspannungswert überlagert ist, welcher somit einen in Ab­ hängigkeit vom Kurbelwinkel konstanten Sensoroffset darstellt. Unter Benutzung der Polytropengleichung und einer entsprechenden Anzahl von Meßwertpaaren wird ein überbestimmtes Gleichungssy­ stem abgeleitet, aus dem der Sensoroffset und ein Referenzdruck­ wert bei einem vorgegebenen Kurbelwinkel-Referenzwert nach der Methode der kleinsten Quadrate bestimmt werden.

Weitere Verfahren zur Bestimmung des Brennraumdrucks, die eine Druckerfassung durch einen Brennraumdrucksensor und eine Auswer­ tung der erhaltenen Meßwerte unter Heranziehung der Polytro­ pengleichung umfassen, sind in den Offenlegungsschriften WO 89/03983 A1 und EP 0 399 069 A1 beschrieben.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines Verfahrens und einer Vorrichtung der eingangs genannten Art zugrunde, mit denen sich der Brennraumdruck bei einer Brenn­ kraftmaschine in seinem Verlauf über ein jeweiliges Arbeitsspiel hinweg mittels eines Brennraumdrucksensors ohne zusätzlichen Sensor möglichst in Echtzeit, vergleichsweise genau und relativ unempfindlich gegen Sensorsignalstörungen bestimmen läßt.

Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung eines Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einer Vor­ richtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7.

Das Verfahren nach Anspruch 1 beinhaltet eine Auswerteprozedur, mit welcher der Brennraumdruck in seinem Verlauf über wenigstens einen Kompressionsphasen- und/oder Expansionsphasen-Teilbereich eines jeweiligen Arbeitsspiels hinweg unter Verwendung eines Schätzverfahrens aus der in diesem Bereich gültigen Polytro­ pengleichung sensoroffsetkorrigiert bestimmt wird, wobei zusätz­ lich der Sensoroffset als über den betreffenden Arbeitsspielbe­ reich hinweg variable Größe behandelt wird, deren Verlauf anhand eines Vergleichs der geschätzten mit den gemessenen Brennraum­ druckwerten ermittelt wird.

Damit berücksichtigt das Verfahren den in der Praxis über ein jeweiliges Arbeitsspiel, speziell auch einem Kompressionsphasen- Teilbereich desselben, im allgemeinen nicht konstanten Verlauf des Sensoroffsets, wie er sich insbesondere bei Verwendung unge­ kühlter Drucksensoren aufgrund des Thermoschockeffektes ergibt. Demzufolge läßt sich mit diesem Verfahren der Brennraumdruckver­ lauf mindestens im betreffenden Arbeitsspiel-Teilbereich und in den allermeisten Fällen insgesamt über das ganze Arbeitsspiel hinweg in seinem Verlauf genauer bestimmen als bei Annahme eines konstanten Sensoroffsets, ohne daß ein zusätzlicher Sensor, wie ein Saugrohrdrucksensor, erforderlich ist. Da ein derartiges Schätzverfahren mit geringerem Rechenaufwand als beispielsweise eine Brennverlaufsrechnung durchführbar ist, läßt es sich auch bei Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen mit den dort begrenz­ ten Rechenkapazitäten problemlos in Echtzeit ausführen. Dies er­ laubt eine phasenkorrekte Brennraumdruckverlauf-Mittelwertbil­ dung in Echtzeit, d. h. im Onlinebetrieb. Durch geeignete Ausle­ gung läßt sich ein solches Schätzverfahren zudem sehr unempfind­ lich gegen Störungen des Brennraumdrucksensorsignals halten.

Bei einem nach Anspruch 2 weitergebildeten Verfahren wird für die Schätzung ein diskretes Schrittverfahren verwendet, in wel­ chem sukzessive in Inkrementen einer zugehörigen Arbeitsspiel- Kenngröße, wie dem Kurbelwinkel, ein neuer Brennraumdruck- Schätzwert aus der Polytropengleichung anhand des im vorigen Schritt enthaltenen Brennraumdruck- und Sensoroffsetwertes ge­ wonnen wird. Der durch dieses geschätzte Hochrechnen erhaltene Brennraumdruckverlauf kann dann mit dem gemessenen Druckverlauf zur Aktualisierung des Sensoroffsetverlaufs verglichen werden.

Bei einem nach Anspruch 3 weitergebildeten Verfahren ist als Schätzverfahren eine Kalman-Filterung vorgesehen, bei welcher der gemessene Brennraumdruck als Eingangsgröße, der geschätzte Brennraumdruck und der geschätzte Sensoroffset hingegen als Zu­ standsgrößen dienen. Insbesondere läßt sich hierzu eine lineare, zeitvariante Kalman-Filterung mit einem hinsichtlich der benutz­ ten Arbeitsspiel-Kenngröße, z. B. dem Kurbelwinkel, diskreten Zu­ standsraummodell verwenden.

Bei einem nach Anspruch 4 weitergebildeten Verfahren wird in der Schätzung des Sensoroffsetverlaufs ein treibender Term in Form von weißem Rauschen verwendet.

Bei einem nach Anspruch 5 weitergebildeten Verfahren ist eine lastabhängige Gewichtung der modellbildenden Polytropengleichung gegenüber den gemessenen Druckwerten vorgesehen, um zu berück­ sichtigen, daß in diesem Lastbereich das Signal-/Rauschverhält­ nis aufgrund des geringen absoluten Brennraumdrucks verhältnis­ mäßig klein ist.

Bei einem nach Anspruch 6 weitergebildeten Verfahren wird der Polytropengleichungsexponent in Abhängigkeit von der Brennkraft­ maschinentemperatur variabel vorgegeben, was der temperaturab­ hängigen Natur dieses Exponenten besser Rechnung trägt als die Annahme eines in Abhängigkeit von der Brennkraftmaschinentempe­ ratur konstanten Exponenten.

Die Vorrichtung nach Anspruch 7 eignet sich zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 3 bis 6 und beinhaltet zu diesem Zweck insbesondere ein geeignetes Kalman-Filter.

Bei einer nach Anspruch 8 weitergebildeten Vorrichtung können in den Kalman-Filter eine variable Modellierungs-Kovarianz und/oder eine variable Messungs-Kovarianz von außen eingegeben werden, um die Modellierung in Form des polytropen Zustandsübergangs bzw. die gemessenen Brennraumdruckwerte je nach Bedarf mehr oder we­ niger stark zu gewichten.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Hier­ bei zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm typischer, mit einem gekühlten bzw. unge­ kühlten Drucksensor gemessener Brennraumdruckverläufe über ein Arbeitsspiel hinweg,

Fig. 2 ein Diagramm des thermoschockbedingten Unterschieds der beiden Druckverläufe von Fig. 1,

Fig. 3 ein Brennraumdruck-Kompressionsphasen-Diagramm zur Veran­ schaulichung eines gemessenen Druckverlaufs und verschie­ dener idealer Polytropengleichungs-Druckverläufe,

Fig. 4 ein Blockdiagramm eines Kalman-Filters zur Schätzung des Brennraumdruckverlaufs und

Fig. 5 ein Druckverlaufs-Kompressionsphasen-Diagramm zur Veran­ schaulichung eines durch Verwendung des Kalman-Filters von Fig. 4 erhältlichen Ergebnisses einer Bestimmung des sensoroffsetkorrigierten Brennraumdruckverlaufs.

In Fig. 1 ist der typische Verlauf des von einem ungekühlten Brennraumdrucksensor gemessenen Brennraumdrucks in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel über ein Arbeitsspiel eines Kraftfahrzeug- Verbrennungsmotors hinweg mit einer durchgezogen gezeichneten Kennlinie wiedergegeben. Zum Vergleich ist mit einer gestrichelt gezeichneten Kennlinie der für dasselbe Arbeitsspiel von einem gekühlten Brennraumdrucksensor gemessene Brennraumdruckverlauf wiedergegeben. In beiden Fällen ist der charakteristische Druck­ anstieg während der Kompressionsphase bis zum Eintritt der Ver­ brennung und der anschließende Druckabfall während der Expansi­ onsphase zu erkennen. Die vorhandenen, wenngleich im Maßstab von Fig. 1 nicht besonders deutlich hervortretenden Unterschiede in den beiden Druckverläufen beruhen darauf, daß die vom Thermo­ schockeffekt verursachte Kurzzeittemperaturdrift beim gekühlten Brennraumdrucksensor weitgehend eliminiert ist, während sie beim ungekühlten Sensor in voller Stärke auftritt.

Fig. 2 zeigt deutlicher die Differenz zwischen den beiden Sen­ sorsignalen, d. h. den auf dem Thermoschockeffekt beruhenden Druckbeitrag im Signal des ungekühlten Sensors bezogen auf das Signal des gekühlten Sensors. Der während der Verbrennung in die Sensormembran fließende Wärmestrom, der beim gekühlten Sensor sofort abgeleitet wird, verspannt die Membran des ungekühlten Sensors und führt durch das nach der Verbrennung erst allmähli­ che Abkühlen der Membran zu dem thermoschockbedingten Druckbei­ trag, d. h. dem zeitabhängigen Sensoroffset, periodisch zum Ar­ beitsspiel. Wegen der nicht konstanten Wärmeabfuhr von der Mem­ bran ist der Sensoroffset über ein jeweiliges Arbeitsspiel hinweg nicht konstant. So steigt er im Beispiel von Fig. 2 wäh­ rend der Kompressionsphase leicht an. Deshalb führt eine Vorge­ hensweise, die einen solchen nicht konstanten Sensoroffsetver­ lauf berücksichtigt, zu einer genaueren und zuverlässigeren Be­ stimmung des absoluten, d. h. von solchen Sensorfehlereffekten bereinigten Brennraumdruckverlaufs.

Prinzipiell können verschiedene Phasen des Brennraumdruckver­ laufs für die absolute Brennraumdruckbestimmung ausgewertet wer­ den, die dann z. B. zur Ermittlung der in den jeweiligen Brenn­ raum zugeführten Luftmasse herangezogen werden kann. Eine Aus­ wertung während der Ladungswechselphase hat den Vorteil, daß die Information zeitlich sehr früh vorliegt, jedoch den Nachteil, daß das Absolutdruckniveau sehr niedrig und daher die Auflösung des Drucksensors nicht so gut ist. Eine Auswertung während der Verbrennungsphase ergibt zwar ein sehr gutes Signal-/Rauschver­ hältnis, jedoch sind die auftretenden Zyklenschwankungen nur sehr schwierig modellierbar. Die Kompressions- und die Expansi­ onsphase haben den Vorteil, daß sie beide sehr gut thermodyna­ misch beschreibbar sind und ein gutes Signal-/Rauschverhältnis aufweisen, so daß sie vorliegend bevorzugt zur nachfolgend näher beschriebenen Brennraumdruckverlaufsbestimmung unter Verwendung eines Schätzverfahrens herangezogen werden. Die Kompressionspha­ se hat dabei gegenüber der Expansionsphase den Vorteil, daß die Information zeitlich früher vorliegt.

Durch den nicht konstanten Sensoroffsetverlauf folgt der gemes­ sene Brennraumdruckverlauf, insbesondere wenn für die Messung ein ungekühlter, temperatursensitiver Drucksensor basierend auf einem optischen oder einem Piezo-Sensorprinzip verwendet wird, nicht genau dem theoretischen, durch die Polytropengleichung be­ schriebenen Verlauf. Dies ist in Fig. 3 veranschaulicht, in der eine sensorisch erfaßte, durchgezogen gezeichnete Druckverlaufs­ kurve während einer Kompressionsphase zwischen -100° und -30° Kurbelwellenwinkel vor dem oberen Totpunkt (ZOT) sowie beispiel­ haft drei auf der Polytropengleichung basierende Kennlinien ge­ strichelt wiedergegeben sind, die zu verschiedenen Druckanfangs­ werten beim Kurbelwinkel-Anfangswert von -100° vor ZOT gehören. Wie aus Fig. 3 ersichtlich, beschreibt zwar die obere der drei Polytropenkurven die gemessene Druckverlaufskurve in einem mitt­ leren Kompressionsphasenbereich recht zufriedenstellend, es zei­ gen sich jedoch deutliche Abweichungen im unteren und oberen Ab­ schnitt der Kompressionsphase. Es ergibt sich in diesem Bei­ spiel, daß unter der Annahme eines konstanten Sensoroffsets diejenige Polytropenkurve, die ungefähr bei einem Anfangsdruck von 0,6 bar am Kurbelwinkel-Anfangswert von -100° vor ZOT star­ tet, die gemessene Druckverlaufskurve noch am besten approxi­ miert.

Ausgehend davon wird nun vorliegend die Bestimmung des absolu­ ten, sensorfehlerkorrigierten Brennraumdruckverlaufs unter An­ wendung eines Schätzverfahrens vorgenommen, das zur Genauig­ keitssteigerung einen nicht konstanten Verlauf des Sensoroffsets über ein Arbeitsspiel hinweg und insbesondere auch in dem in Fig. 3 gezeigten Kompressionsphasen-Teilbereich zuläßt und be­ rücksichtigt. Dies erfolgt beispielsweise durch eine lineare, zeitvariante Kalman-Filterung. Dazu läßt sich ein Kalman-Filter 1 herkömmlichen und daher hier nicht weiter zu beschreibenden Aufbaus einsetzen, wie es in Fig. 4 als Funktionsblock darge­ stellt ist. In diesem Kalman-Filter 1 erfolgt eine Modellierung auf der Grundlage der in diesem Arbeitsspiel-Teilbereich gülti­ gen Polytropengleichung. Als eine erste Zustandsvariable x1 für den Algorithmus des in herkömmlicher Weise in Hardware oder Software realisierten Kalman-Filters 1 wird daher der mittlere gemessene Brennraumdruck, auch Zylinderinnendruck genannt, her­ angezogen. Dem Sensoroffset, für den gleichfalls ein variabler Verlauf in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel bzw. irgendeiner ande­ ren, den Ablauf eines jeweiligen Brennkraftmaschinen- Arbeitsspiel charakterisierenden Kenngröße zugelassen wird, wird im Kalman-Filter 1 eine zweite Zustandsgröße x2 zugeordnet, von der vorzugsweise angenommen wird, daß sie durch weißes Rauschen getrieben wird. Mit diesen Festlegungen werden dann durch die Kalman-Filterung in einem diskreten Schrittverfahren der po­ lytrop geschätzte Brennraumdruck p_zyl und der Sensoroffset- Druckbeitrag p_offset für einen jeweils nächsten Schritt k + 1 ausge­ hend vom vorangegangenen Schritt k gemäß den folgenden Gleichun­ gen sukzessiv hochgerechnet:

P_zyl(k + 1) = (p_zyl(k) - p_offset(k)) . (V_zyl(k)/V_zyl(k + 1))ⁿ + p_offset(k) und

p_offset(k + 1) = p_offset(k) + w(k),

wobei V_zyl das kurbelwinkelabhängige Brennraumvolumen, n den von der Brennkraftmaschinentemperatur T_mot abhängigen Polytropenexpo­ nenten und w weißes Rauschen bezeichnen. Die Erhöhung des Schrittzählers k um jeweils den Wert eins bedeutet einen jeweils nächsten Berechnungszyklus und entspricht einem Fortschreiten um ein vorgebbares Kurbelwinkelinkrement. Für die Meßgröße p_meß des Kalman-Filteralgorithmus gilt dann die Beziehung

p_meß(k) = p_zyl(k) + ν(k)

mit dem Rauschterm ν. Dieser Meßgröße entspricht als Eingangsgrö­ ße der vom Brennraumdrucksensor 2 tatsächlich gemessene Brenn­ raumdruck. Des weiteren wird dem Kalman-Filter 1 eingangsseitig die Information über den aktuell gültigen Wert des Polytropenex­ ponenten n je nach momentaner Brennkraftmaschinen- bzw. Kühlwas­ sertemperatur T_mot zugeführt. Zusätzlich werden in das Kalman- Filter 1 von außen wählbare Werte für eine Modellierungs- Kovarianz (Q) und eine Messungs-Kovarianz (R) eingegeben. Mit der Modellierungs-Kovarianz Q kann die Modellierung des polytro­ pen Zustandsübergangs mehr oder weniger stark gewichtet werden. In gleicher Weise kann mittels der Messungs-Kovarianz das Meßre­ sultat, d. h. das vom Sensor 2 gelieferte Brennraumdrucksignal, mehr oder weniger stark gewichtet werden. Damit ist es möglich, Modellierung und Messung in variabler Weise, z. B. lastabhängig, unterschiedlich zu gewichten. So kann es zweckmäßig sein, im Leerlauf oder im niedrigen Teillastbereich der Brennkraftmaschi­ ne die Modellierung stärker als die Messung zu gewichten, da dort das Signal-/Rauschverhältnis aufgrund des geringen absolu­ ten Brennraumdrucks sehr klein und damit das Modellresultat zu­ verlässiger als das Sensorresultat ist.

Zum Starten der Kalman-Filterung werden dem Filter 1 ein erster Brennraumdruck-Meßwert x₀ und ein Startwert P₀ der in der Kalman- Filterung verwendeten Prädiktionsfehlerkovarianzmatrix eingege­ ben. Letzterer wird ausreichend hoch gewählt, damit das Filter 1 schnell einschwingt. Der Sensoroffset-Startwert kann anfänglich z. B. auf den Wert null gesetzt werden. Das Kalman-Filter nimmt dann eine Online-Mittelwertschätzung des Brennraumdruck-Meßwerts vor und bestimmt den Sensoroffset kurbelwinkelaufgelöst. Die Differenz beider Zustandswerte ergibt den absoluten Brennraum­ druckverlauf kurbelwinkelaufgelöst in der Kompressionsphase.

Vorgehensweise und Resultat dieser Kalman-Filterung sind in Fig. 5 an einem Beispiel veranschaulicht. Die Schätzung beginnt bei einem Kurbelwinkel, wie -100° vor ZOT, bei dem das Einlaßventil sicher geschlossen ist, und endet bei einem Kurbelwinkel, z. B. -30° vor ZOT, in welchem noch in keinem Betriebspunkt die Zün­ dung erfolgt. Der Schätzalgorithmus startet beim Anfangspunkt der in Fig. 5 durchgezogen gezeichneten Meßkurve. Von diesem er­ sten Meßwert wird der zu Beginn beliebig gewählte Sensoroffset­ wert abgezogen, und der resultierende, sensoroffsetbereinigte Druckwert, dessen Verlauf in Fig. 5 gepunktet gezeichnet ist, wird mittels der obigen diskretisierten Polytropengleichung um einen Abtastschritt vorwärts gerechnet und dann wieder auf den Offsetwert addiert. Dies führt zum ersten berechneten, d. h. ge­ schätzten Druckwert, dessen Verlauf in Fig. 5 gestrichelt wie­ dergegeben ist und der nun mit dem im nächsten Schritt neu ge­ messenen Druckwert verglichen wird. Das daraus gebildete Residu­ um wird zur Neubestimmung des Sensoroffsets an der betreffenden Stelle herangezogen.

In dieser Weise wird bis zum Endwert des Kompressionsphasenbe­ reichs von z. B. -30° vor ZOT der geschätzte Verlauf des mittle­ ren gemessenen Brennraumdrucks bestimmt. Wird das Filter im nächsten Arbeitsspiel wieder neu gestartet, kann der letzte Offsetwert aus dem zuletzt berechneten Arbeitsspiel als verbes­ serter Offset-Startwert dienen, so daß das Filter bereits nach wenigen Grad Kurbelwellenwinkel einschwingt. Wie die Praxis zeigt und in Fig. 5 veranschaulicht ist, läßt sich mit dieser Vorgehensweise der absolute Brennraumdruckverlauf während der Kompressionsphase vergleichsweise genau durch Schätzung ermit­ teln, wobei ein nicht-konstanter Sensoroffsetverlauf zugelassen wird.

Der in Fig. 5 gepunktet dargestellte, aus der Polytropengleichung sensoroffsetbereinigt hochgerechnete Druckverlauf stellt dann den gesuchten wahren Brennraumdurckverlauf dar, der durch Addie­ ren des variablen, geschätzten Sensoroffsetverlaufs den gemesse­ nen Druckverlauf, wie aus Fig. 5 ersichtlich, sehr gut in Form der gestrichelten Kurve für den geschätzten mittleren gemessenen Druck approximiert. Es zeigt sich, daß jeweils schon nach eini­ gen wenigen Arbeitsspielen der absolute Brennraumdruckverlauf sehr stabil erhalten wird. Der Offsetverlauf schwingt am Ende jeder Kompressionsphase auf einen festen Wert ein, solange die Brennkraftmaschine stationär läuft. Bei einem Instationärvorgang kann sich das Offsetniveau aufgrund eines veränderten Wärme­ stroms in die Sensormembran verschieben. Es zeigt sich jedoch, daß der Schätzalgorithmus auch einer solchen Langzeittemperatur­ drift gut folgt. Durch das beschriebene Verfahren und die be­ schriebene Vorrichtung kann somit der Brennraumdruckverlauf, insbesondere auch ein Thermoschockbeitrag eines Brennraumdruck­ sensors, sehr genau mit einer relativ einfachen Brennraumdruck­ sensorik unter Berücksichtigung eines beliebigen, im allgemeinen nicht konstanten Sensoroffsetverlaufs bestimmt werden.

Claims (8)

1. Verfahren zur Bestimmung eines Brennraumdruckverlaufs bei einer Brennkraftmaschine, bei dem

• - mittels eines Brennraumdrucksensors (2) Brennraumdruckmeß­ werte wenigstens über einen Kompressionsphasen- und/oder Expan­ sionsphasen-Teilbereich eines jeweiligen Brennkraftmaschinen- Arbeitsspiels hinweg aufgenommen werden und
• - der Brennraumdruckverlauf wenigstens über einen Teilbereich eines jeweiligen Brennkraftmaschinen-Arbeitsspiels hinweg mit­ tels einer Auswerteprozedur der aufgenommenen Meßwerte unter Be­ rücksichtigung der Polytropengleichung und eines Sensoroffsets bestimmt wird,
• - wobei in der Auswerteprozedur der Brennraumdruckverlauf durch ein Schätzverfahren sensoroffsetkorrigiert aus der Po­ lytropengleichung bestimmt wird und der Sensoroffset als über den Kompressionsphasen- und/oder Expansionsphasen-Teilbereich hinweg variable Größe behandelt wird, deren Verlauf anhand eines Vergleichs der geschätzten mit den gemessenen Brennraumdruckwer­ ten ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, daß das Schätzverfahren ein diskretes Schrittverfahren beinhaltet, in welchem unter inkrementalem Fortschreiten einer Arbeitsspiel- Kenngröße ein jeweils neuer Brennraumdruck-Schätzwert aus der Polytropengleichung anhand eines zuvor sensoroffsetkorrigiert ermittelten Schätzwertes berechnet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, weiter dadurch gekennzeichnet, daß das diskrete Schrittverfahren durch eine Kalman-Filterung mit dem gemessenen Brennraumdruck als einer Eingangsgröße und einem geschätzten mittleren Brennraumdruck sowie dem Sensoroffset als Zustandsgrößen ausgeführt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiter dadurch gekennzeichnet, daß der Schätzung des Sensoroffsetverlaufs weißes Rauschen als trei­ bender Term zugrundegelegt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die aus der modellbildenden Polytropengleichung erhaltenen Schätzwerte und/oder die sensorisch erhaltenen Meßwerte in Ab­ hängigkeit vom Lastzustand der Brennkraftmaschine gewichtet wer­ den.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, weiter dadurch gekennzeichnet, daß der Exponent der Polytropengleichung in Abhängigkeit von der Brennkraftmaschinentemperatur variabel vorgegeben wird.

7. Vorrichtung zur Bestimmung eines Brennraumdruckverlaufs bei einer Brennkraftmaschine, mit

• - einem Brennraumdrucksensor (2) zum Aufnehmen von Brennraum­ druckmeßwerten wenigstens über einen Kompressionsphasen- und/oder Expansionsphasen-Teilbereich eines jeweiligen Brenn­ kraftmaschinen-Arbeitsspiels hinweg und
• - Auswertemitteln zur Bestimmung des Brennraumdruckverlaufs wenigstens über einen Teilbereich eines jeweiligen Brennkraftma­ schinen-Arbeitsspiels hinweg mittels einer Auswerteprozedur der aufgenommenen Meßwerte unter Berücksichtigung der Polytro­ pengleichung und eines Sensoroffsets,
• - wobei die Auswertemittel ein Kalman-Filter (1) aufweisen, das den Brennraumdruckverlauf durch eine Kalman-Filterung aus der Polytropengleichung sensoroffsetkorrigiert bestimmt und den Sensoroffset als über den Arbeitsspiel-Teilbereich hinweg variable Größe behandelt, deren Verlauf anhand eines Vergleichs der ge­ schätzten mit den gemessenen Brennraumdruckwerten ermittelt wird, wobei der gemessene Brennraumdruck eine Eingangsgröße und der geschätzte mittlere Brennraumdruck sowie der Sensoroffset mit weißem Rauschen als treibendem Term Zustandsgrößen für das Kalman-Filter bilden.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, weiter dadurch gekennzeichnet, daß das Kalman-Filter (1) einen Eingang für einen Modellierungs- Kovarianzparameter (Q) und/oder einen Eingang für einen Mes­ sungs-Kovarianzparameter (R) zur externen Eingabe eines entspre­ chenden Modellierungs- und/oder Messungsgewichtes aufweist.