DE19900738C1 - Determining combustion chamber pressure in combustion engine; involves treating sensor offset as variable over compression or expansion phases derived from estimated, measured pressures - Google Patents
Determining combustion chamber pressure in combustion engine; involves treating sensor offset as variable over compression or expansion phases derived from estimated, measured pressuresInfo
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Abstract
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.The invention relates to a method for determining egg nes combustion chamber pressure curve in an internal combustion engine and to a suitable one for carrying out such a method Contraption.
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.It is known to use the combustion chamber pressure in internal combustion engines to detect combustion chamber pressure sensors, which an optical or piezo-electric or piezo-resistive sensor principle based. With both sensor principles influence the by the temperature of the combustion process in the combustion chamber fluctuations in the evaluation of the sensor signal. Through the appearance heat flow tensions the sensor membrane, and the egg The common useful signal is superimposed on a temperature-dependent one Component, with a short-term temperature drift and a medium / A distinction must be made between long-term temperature drift. The latter occurs for example, with load changes that lead to a medium heat lead mestrom into the sensor membrane. This influence is very slow compared to the typical useful signal changes and can therefore z. B. eliminated by a suitable high-pass filtering who the. The short-term temperature drift is large from the short-term This causes a rise in temperature during combustion, which leads to leads to strong tension in the sensor membrane. This as a so-called called interference called thermal shock is in the frequency range range of the useful signal. Immediately after combustion begins the membrane tensions the most; that sounds like this one flow depending on time in the further course of each work play again.
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.Various methods for determining the ab soluten, d. H. true combustion chamber pressure from the relative, d. H. the measured and with the mentioned sensor malfunction tied combustion chamber pressure proposed. So the pressure measurement of the Combustion chamber pressure sensor with the pressure measurement of an intake manifold pressure sensors that are not strong thermal Fluctuations in the combustion chamber is exposed. This procedure he however requires an intake manifold pressure sensor. Alternatively, one iterative zero line determination by means of a firing course calculation be carried out, but what a comparatively high Re Chen effort required, so this method for Brennkraftma Machines of motor vehicles in practice only offline, d. H. is not feasible in real time. Another alternative is one thermodynamic zero point correction using the so-called Po lytrope equation at two points of a respective compression onsphase possible, but this method reacts very sensitively for disturbances in the pressure signal of the sensor and only allows the determination of an average, constant offset of the sensor signals, however, no variable offset curve over a respective working cycle of the internal combustion engine.
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.For example, DE 195 44 613 A1 describes a method ren for the dynamic correction of the top dead center of each working cycle during the evaluation of the combustion chamber pressure known that a determination of the compression pressure ver run over a theoretical model based on the measured Combustion chamber pressure curve and a comparison of the determined with the measured pressure curve provides, depending on the determined difference the pressure curve by an associated Shift crank angle value. This process becomes iterative long repeated until he based on the theoretical model averaged compression pressure curve within a predeterminable Convergence band of the measured pressure curve lies. Theor The Polytro is the table model of the compression pressure curve based on the pen equation, whereby to adapt to the measured a variable polytropic exponent is permitted that is based on two function value pairs of the measured and smoothed pressure curve is determined. The Pressure course shift then becomes dependent on size and direction of the deviation of the so determined on the basis of the The theoretical pressure curve of polytropic exponents from measured pressure curve made.
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 the journal article C. Burkhardt and M. Bargend, Ther moschock correction for pressure indications with spark and glow plug zenadaptern, MTZ Motortechnische Zeitschrift 56 (1995) 12, page 736 is proposed due to the thermal shock effect occurring short-term temperature drift into an ignition or Glow plug integrated, uncooled pressure sensor from one to basic heat flow model for the spark or glow plug average and correct the sensor signal accordingly.
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.The published patent application DE 43 26 949 A1 is for a manager system of a piston internal combustion engine determine a load point on the basis of several dis Crete crank angle positions by means of a combustion chamber pressure sors measured combustion chamber pressure values provided. For this made evaluation of the sensor signal is assumed that this from an Ana proportional to the current pressure value log voltage exists, which is an unknown, almost constant DC voltage value is superimposed, which is therefore one in Ab dependence on the crank angle represents constant sensor offset. Using the polytropic equation and a corresponding one Number of pairs of measured values becomes an over-determined equation system stem derived from which the sensor offset and a reference pressure value at a given crank angle reference value after the Least squares method can be determined.
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.Other methods for determining the combustion chamber pressure, the one Pressure detection by a combustion chamber pressure sensor and an ejector tion of the measured values obtained using the polytro Pen equation include are in WO WO 89/03983 A1 and EP 0 399 069 A1.
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.The invention is a technical problem of providing a method and a device of the aforementioned Kind of basis with which the combustion chamber pressure in a combustion engine in its course over a respective work cycle away by means of a combustion chamber pressure sensor without additional Sensor in real time if possible, comparatively accurate and relative insensitive to sensor signal interference.
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.The invention solves this problem by providing a Method with the features of claim 1 and a pre direction with the features of claim 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.The method of claim 1 includes an evaluation procedure with which the combustion chamber pressure over at least a compression phase and / or expansion phase sub-area of a particular work cycle using a Estimation method from the Polytro valid in this area pen equation is determined sensor offset corrected, with additional Lich the sensor offset as about the relevant work cycle variable is dealt with, the course of which is based on a comparison of the estimated with the measured combustion chamber pressure values is determined.
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.The method thus takes into account the in practice respective work cycle, especially a compression phase Part of the same, generally not constant course of the sensor offset, as it is especially when used of cooled pressure sensors due to the thermal shock effect. Consequently, the combustion chamber pressure can be verified with this method run at least in the relevant working game section and in most of the cases over the whole work cycle determine its course more precisely than if it were adopted constant sensor offsets without the need for an additional sensor, such as an intake manifold pressure sensor is required. Because such a Estimation method with less computing effort than, for example it is also possible to carry out a combustion history calculation in internal combustion engines in motor vehicles with the limit there Execute computing capacity in real time without any problems. This he leaves a phase-correct average pressure curve for the combustion chamber pressure real-time d. H. in online mode. By suitable Ausle Such an estimation method can also be very insensitive hold against faults in the combustion chamber pressure sensor signal.
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.In a further developed according to claim 2 method for the estimate uses a discrete step method in which chem successively in increments of an associated work cycle Parameter, such as the crank angle, a new combustion chamber pressure Estimation from the polytropic equation based on the previous one Step contained combustion chamber pressure and sensor offset value is won. The one obtained by this estimated projection The combustion chamber pressure curve can then be measured using the measured pressure curve be compared to update the sensor offset curve.
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.In a further developed according to claim 3 is as Kalman filtering is provided in the estimation method, in which the measured combustion chamber pressure as an input, the estimated Combustion chamber pressure and the estimated sensor offset, however, as Zu stand sizes serve. In particular, a linear, time-variant Kalman filtering with a regarding the usage th working cycle parameter, e.g. B. the crank angle, discrete Zu Use stand space model.
Bei einem nach Anspruch 4 weitergebildeten Verfahren wird in der Schätzung des Sensoroffsetverlaufs ein treibender Term in Form von weißem Rauschen verwendet.In a further developed method according to claim 4 Estimation of the sensor offset curve is a driving term in the form used by white noise.
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.In a method developed according to claim 5 is a load-dependent weighting of the model-forming polytropic equation compared to the measured pressure values provided to back see that the signal / noise ratio in this load range due to the low absolute combustion chamber pressure ratio is moderately small.
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.In a further developed according to claim 6, the Polytropic equation exponent depending on the internal combustion machine temperature variably specified, which depends on the temperature dependent nature of this exponent takes better account of that Assumption of a depending on the engine temperature constant exponents.
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.The device according to claim 7 is suitable for performing the Method according to one of claims 3 to 6 and includes a suitable Kalman filter for this purpose.
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.In a device further developed according to claim 8 the Kalman filter a variable modeling covariance and / or a variable measurement covariance can be entered from outside the modeling in the form of the polytropic state transition or the measured combustion chamber pressure values more or as required to weight heavily.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Hier bei zeigen:An advantageous embodiment of the invention is in the Drawings shown and will be described below. Here at show:
Fig. 1 ein Diagramm typischer, mit einem gekühlten bzw. unge kühlten Drucksensor gemessener Brennraumdruckverläufe über ein Arbeitsspiel hinweg, Fig. 1 is a diagram of typical, measured with a cooled or supercooled unge pressure sensor combustion-chamber pressure profiles over an operating cycle of time,
Fig. 2 ein Diagramm des thermoschockbedingten Unterschieds der beiden Druckverläufe von Fig. 1, Fig. 2 is a diagram of thermal shock related difference of the two pressure curves of Fig. 1,
Fig. 3 ein Brennraumdruck-Kompressionsphasen-Diagramm zur Veran schaulichung eines gemessenen Druckverlaufs und verschie dener idealer Polytropengleichungs-Druckverläufe, Fig. 3 shows a combustion chamber pressure compression phase diagram for Veran schaulichung a measured pressure curve and various Dener ideal Polytropengleichungs-pressure curves,
Fig. 4 ein Blockdiagramm eines Kalman-Filters zur Schätzung des Brennraumdruckverlaufs und Fig. 4 is a block diagram of a Kalman filter for estimating the combustion chamber pressure and
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. FIG. 5 shows a pressure curve-compression phase diagram to illustrate a result of a determination of the sensor offset-corrected combustion chamber pressure curve that can be obtained by using the Kalman filter from FIG. 4.
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.In Fig. 1 shows the typical course of the measured of an uncooled combustion chamber pressure combustion chamber pressure sensor is away represented as a function of crank angle over one cycle of an automotive internal combustion engine with a through drawn-drawn curve. For comparison, a curve drawn in dashed lines represents the combustion chamber pressure curve measured for the same work cycle by a cooled combustion chamber pressure sensor. In both cases, the characteristic pressure increase during the compression phase up to the start of combustion and the subsequent pressure drop during the expansion phase can be seen. The existing, albeit on the scale of Fig. 1, not particularly clearly apparent differences in the two pressure profiles are based on the fact that the short-term temperature drift caused by the thermal shock effect is largely eliminated in the cooled combustion chamber pressure sensor, while it occurs at full strength in the uncooled sensor.
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. Fig. 2 shows more clearly the difference between the two sensor signals, ie the pressure contribution based on the thermal shock effect in the signal of the uncooled sensor based on the signal of the cooled sensor. The heat flow flowing into the sensor membrane during combustion, which is immediately dissipated when the sensor is cooled, tensions the membrane of the uncooled sensor and leads to the thermal shock-related pressure contribution, i.e. the time-dependent sensor offset, periodically due to the gradual cooling of the membrane after combustion Working game. Due to the non-constant heat dissipation from the membrane, the sensor offset is not constant over a respective work cycle. So it rises slightly in the example of Fig. 2 during the compression phase. Therefore, a procedure that takes into account such a non-constant sensor offset process leads to a more precise and reliable determination of the absolute combustion chamber pressure curve, ie, one that has been cleaned of such sensor error effects.
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.In principle, different phases of the combustion chamber pressure ver who is currently being evaluated for the absolute combustion chamber pressure determination the one who then B. to determine the in the respective focal air mass supplied can be used. An out evaluation during the charge exchange phase has the advantage that the Information is available very early, but with the disadvantage that that the absolute pressure level is very low and therefore the resolution the pressure sensor is not so good. An evaluation during the The combustion phase gives a very good signal / noise ratio ratio, however, the cycle fluctuations that occur are only very difficult to model. The compression and the expansion onsphase have the advantage that they both thermodyna very well are mixable and have a good signal / noise ratio have, so that in the present case they are preferred for the following described combustion chamber pressure curve determination using of an estimation method. The compression phase se has the advantage over the expansion phase that the Information is available earlier.
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.Due to the non-constant sensor offset curve, the measured combustion chamber pressure curve does not exactly follow the theoretical curve described by the polytropic equation, especially if an uncooled, temperature-sensitive pressure sensor based on an optical or a piezo sensor principle is used for the measurement. This is illustrated in Fig. 3, in which a sensed, solid line pressure curve during a compression phase between -100 ° and -30 ° crankshaft angle before top dead center (ZOT) and three exemplary characteristic curves based on the polytropic equation are shown in dashed lines that belong to different pressure start values at the crank angle starting value of -100 ° before ZOT. As can be seen from FIG. 3, the upper of the three polytropic curves describes the measured pressure curve in a medium compression phase range quite satisfactorily, but there are clear deviations in the lower and upper sections of the compression phase. It results in this example that, assuming a constant sensor offset, that polytropic curve which starts approximately at an initial pressure of 0.6 bar at the crank angle initial value of -100 ° before ZOT, approximates the measured pressure curve best.
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:
Based on this, the determination of the absolute, sensor error-corrected combustion chamber pressure curve is now carried out using an estimation method which allows a non-constant curve of the sensor offset over a working cycle and in particular also in the compression phase sub-area shown in FIG. 3 to increase the accuracy considered. This is done, for example, using linear, time-variant Kalman filtering. For this purpose, a Kalman filter 1 can be used conventionally and therefore not further described here, as shown in FIG. 4 as a function block. In this Kalman filter 1 , modeling is carried out on the basis of the polytropic equation valid in this work cycle sub-area. The mean measured combustion chamber pressure, also referred to as the internal cylinder pressure, is therefore used as a first state variable x1 for the algorithm of the Kalman filter 1 , which is implemented in a conventional manner in hardware or software. The sensor offset, for which a variable curve as a function of the crank angle or any other characteristic characterizing the course of a particular internal combustion engine work cycle is permitted, is assigned a second state variable x2 in the Kalman filter 1 , which is preferably assumed to be it is driven by white noise. With these stipulations, Kalman filtering then uses a discrete step method to successively extrapolate the estimated combustion chamber pressure p cyl and the sensor offset pressure contribution p offset for a next step k + 1 from the previous step k in accordance with the following equations:
Pzyl(k + 1) = (pzyl(k) - poffset(k)) . (Vzyl(k)/Vzyl(k + 1))n + poffset(k) und
P cyl (k + 1) = (p cyl (k) - p offset (k)). (V cyl (k) / V cyl (k + 1)) n + p offset (k) and
poffset(k + 1) = poffset(k) + w(k),
p offset (k + 1) = p offset (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
where V cyl denote the crank angle-dependent combustion chamber volume, n the polytropic expo dependent on the engine temperature T mot and w denote white noise. The incrementation of the step counter k by the value one means a respective next calculation cycle and corresponds to a progression by a predeterminable crank angle increment. The relationship then applies to the measured variable p measure of the Kalman filter algorithm
pmeß(k) = pzyl(k) + ν(k)
p measure (k) = p cyl (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.with the noise term ν. This measured quantity corresponds as Eingangsgrö SSE actually measured by the combustion chamber pressure sensor 2 Firing chamber pressure. Furthermore, the Kalman filter 1 is supplied on the input side with information about the currently valid value of the polytropen exponent n, depending on the instantaneous internal combustion engine or cooling water temperature T mot . In addition, externally selectable values for a modeling covariance (Q) and a measurement covariance (R) are entered into the Kalman filter 1 . With the modeling covariance Q, the modeling of the polytropic state transition can be weighted more or less strongly. In the same way, the measurement result, ie the combustion chamber pressure signal supplied by sensor 2 , can be weighted more or less strongly by means of the measurement covariance. This makes it possible to model and measure in a variable manner, e.g. B. depending on the load, different weights. So it can be useful to weight the modeling more than the measurement in idle or in the low partial load range of the internal combustion engine, since there the signal-to-noise ratio is very small due to the low absolute combustion chamber pressure and the model result is therefore more reliable than the sensor result.
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.To start the Kalman filtering, filter 1 is given a first combustion chamber pressure measured value x 0 and a start value P 0 of the prediction error covariance matrix used in the Kalman filtering. The latter is chosen to be high enough for filter 1 to settle quickly. The sensor offset start value can initially e.g. B. can be set to the value zero. The Kalman filter then carries out an online mean value estimation of the combustion chamber pressure measured value and determines the sensor offset with a crank angle resolution. The difference between the two state values gives the absolute combustion chamber pressure curve-resolved crank angle in the compression phase.
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.The procedure and result of this Kalman filtering are illustrated in FIG. 5 using an example. The estimate begins at a crank angle, such as -100 ° before ZOT, at which the intake valve is securely closed, and ends at a crank angle, e.g. B. -30 ° before ZOT, in which the ignition does not take place at any operating point. The estimation algorithm starts at the starting point of the measurement curve drawn solid in FIG. 5. From this first measured value, the sensor offset value chosen at the beginning is subtracted, and the resulting sensor offset-adjusted pressure value, the course of which is shown in dotted lines in FIG. 5, is calculated by one sampling step forward by means of the above discretized polytropic equation and then added again to the offset value . This leads to the first calculated, ie estimated, pressure value, the course of which is shown in broken lines in FIG. 5 and which is now compared with the pressure value newly measured in the next step. The resulting residual is used to redefine the sensor offset at the relevant point.
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. In this way, the range of z. B. -30 ° before ZOT the estimated course of the mean measured combustion chamber pressure ren determined. If the filter is restarted in the next work cycle, the last offset value from the last work cycle calculated can serve as an improved offset start value, so that the filter settles after a few degrees of crankshaft angle. As practice shows and is illustrated in FIG. 5, this procedure allows the absolute combustion chamber pressure curve to be determined comparatively precisely during the compression phase by estimation, a non-constant sensor offset curve being permitted.
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.The dotted pressure curve shown in FIG. 5 and extrapolated from the polytropic equation sensor offset then represents the true combustion chamber pressure curve sought, which, by adding the variable, estimated sensor offset curve, the measured pressure curve, as can be seen in FIG. 5, very well in the form of the dashed curve approximated for the estimated mean measured pressure. It can be seen that the absolute combustion chamber pressure curve is obtained in a very stable manner after just a few work cycles. The offset curve settles to a fixed value at the end of each compression phase, as long as the internal combustion engine is running stationary. In the case of a transient process, the offset level can shift into the sensor membrane due to a changed heat flow. However, it turns out that the estimation algorithm also follows such a long-term temperature drift well. By the method described and the device described, the combustion chamber pressure curve, in particular also a thermal shock contribution from a combustion chamber pressure sensor, can thus be determined very precisely with a relatively simple combustion chamber pressure sensor system, taking into account any, generally not constant sensor offset curve.
Claims (8)
- - 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.
- - By means of a combustion chamber pressure sensor ( 2 ), combustion chamber pressure measurement values are recorded at least over a compression phase and / or expansion phase sub-area of a respective internal combustion engine cycle and
- the combustion chamber pressure curve is determined at least over a partial area of a respective internal combustion engine cycle using an evaluation procedure of the recorded measured values, taking into account the polytropic equation and a sensor offset,
- - In the evaluation procedure the combustion chamber pressure curve is determined by an estimation process sensor offset corrected from the polytrope equation and the sensor offset is treated as a variable variable across the compression phase and / or expansion phase sub-range, the curve of which is determined by comparing the estimated with the measured combustion chamber pressure values becomes.
- - 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.
- - A combustion chamber pressure sensor ( 2 ) for recording combustion chamber pressure readings at least over a compression phase and / or expansion phase sub-area of a respective internal combustion engine cycle and
- Evaluation means for determining the course of the combustion chamber pressure at least over a partial area of a respective internal combustion engine cycle by means of an evaluation procedure of the recorded measured values, taking into account the polytro equation and a sensor offset,
- - The evaluation means have a Kalman filter ( 1 ) which determines the combustion chamber pressure curve by Kalman filtering from the polytropic equation sensor offset corrected and treats the sensor offset as a variable across the working cycle sub-area, the course of which is compared with a comparison of the estimated ge measured combustion chamber pressure values is determined, with the measured combustion chamber pressure forming an input variable and the estimated average combustion chamber pressure and the sensor offset with white noise as the driving term, state variables for the Kalman filter.
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