DE19900738C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung eines Brennraumdruckverlaufs bei einer Brennkraftmaschine - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung eines Brennraumdruckverlaufs bei einer BrennkraftmaschineInfo
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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 pzyl und der Sensoroffset-
Druckbeitrag poffset für einen jeweils nächsten Schritt k + 1 ausge
hend vom vorangegangenen Schritt k gemäß den folgenden Gleichun
gen sukzessiv hochgerechnet:
Pzyl(k + 1) = (pzyl(k) - poffset(k)) . (Vzyl(k)/Vzyl(k + 1))n + poffset(k) und
poffset(k + 1) = poffset(k) + w(k),
wobei Vzyl das kurbelwinkelabhängige Brennraumvolumen, n den von
der Brennkraftmaschinentemperatur Tmot 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 pmeß des
Kalman-Filteralgorithmus gilt dann die Beziehung
pmeß(k) = pzyl(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 Tmot 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.
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