DE3506114A1 - Verfahren zur steuerung oder regelung einer brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zur steuerung oder regelung einer brennkraftmaschine

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Description

Beschreibung
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Steuerung oder Regelung einer Brennkraftmaschine nach der Gattung des Hauptanspruches.
Aus der DE-PS 31 37 016 ist bereits ein Verfahren zur Regelung einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem mittels eines Klopfsensors die Klopfintensität der Brennkraftmaschine erfaßt wird. In Abhängigkeit von der Klopfintensität wird der Zündzeitpunkt der Brennkraftmaschine auf das Betriebsoptimum, und im Falle des Klopfens auf möglichst geringen Abstand von der Klopfgrenze geregelt. Das vom Klopfsensor abgegebene elektrische Signal enthält wenigstens einen Teil des mechanischen Schwingungsspektrums der Brennkraftmaschine, woraus ein von der Klopfintensität abhängiges elektrisches Nutzsignal gebildet wird. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, daß das Signal-Zu-Rausch-Verhältnis zwischen Nutzsignal und Hintergrundgeräusch der Brennkraftmaschine stark von Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine abhängt. So ergeben sich insbesondere in Abhängigkeit der Drehzahl und der Last der Brennkraftmaschine stark variierende Klopferkennungempfindlichkeiten. Weiterhin geht diese Klopferkennung davon aus, daß das Nutzsignal innerhalb eines festen Bandbereich einer Mittenfrequenz in der Größenordnung von 7 kHz auftrete, während das Hintergrundgeräusch sich im wesentlichen unkorreliert über den gesamten erfaßten Bandbereich verteile. Daher wird vor Klopferkennung das Ausgangssignal des Klopfsensors durch ein Bandpaßfilter mit konstanten Eckfrequenzen geführt.
In der Druckschrift SAE Technical Paper Series 800406; "Analysis Techniques of Combustion Noise and Vibrations in Diesel Engines"; 25. - 29. Februar 1980; sind eine Reihe von Geräuschspcklrcn einer Brennkraftmaschine unter verschiedenen Betriebsbedingungendargestellt. Dabei ist die Abhängigkeit des Spcktralverlaufes von verschiedenen Betriebsparametern deutlich dargestellt. Die Erfassung der Verbrennungsgeräu-
sehe läßt sich durch Bildung von Meßfenstern, die lediglich während der Verbrennung ein Meßsignal passieren lassen, und durch die Bildung von Multikohärenz-Funktionen bei Mehrzylinderbrennkraftmaschinen wesentlich verbessern. Eine Anwendung der Theorie der Kohärenzfunktionen auf die Klopferkennung bei Brennkraftmaschinen ist ebenfalls in der Druckschrift "A Coherent Approach to Knock Detection"; 20. ISATA-Paper 1983;Seite 161 bis 181 !beschrieben.
Aus der Druckschrift "Spektrometrisches Meßverfahren zur Untersuchung der Verbrennung im Dieselmotor"; Motortechnische Zeitschrift 39 (1978) 9; Seiten 385 bis 390; ist es bekannt, daß durch Ruß, Wasserdampfund NO-Anteile im Brennraum einer Brennkraftmaschine das optische Spektrium der von der Verbrennungsflamme emittierten Strahlung beeinflußt wird.
Aus dem technisch nicht benachbarten Gebiet der Nachrichtentechnik ist es bekannt, mit Hilfe von Methoden der Fourier-Analyse ein Nutzsignal aus einem stark verrauschten Eingangssignal zu gewinnen. Mit Hilfe von sogenannten Signalprozessoren, wie sie etwa in der Druckschrift 'Theory and Application of Digital Signal Processing"; Rabiner/Gold; 1975; Kapitel 10, 11; beschrieben sind, können bereits in wenigen Millisekunden genaue Spektren und Korrelationsfunktionen aus einem abgetasteten und digitalisierten Eingangssignal gewonnen werden.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung oder Regelung einer Brennkraftmaschine mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches hat den Vorteil, daß durch die vollständige Erfassung des interessieren Schwingungsspektrums als Meßspektrum eome sehr gute Trennung zwischen Nutzsignal und Hintergrundgeräusch erreicht wird. Unter Verwendung von Methoden der Fourier-Analyse lassen sich dadurch je nach Vorkenntnis über das Nutzsignal Erkennungssicherheiten erreichen, die nahe an der theoretisch möglichen Grenze liegen. Von weiterem großen Vorteil ist, daß aus der Erkennung des Hintergrundgeräusches die Einflüsse von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine mit in die Steuerung oder Regelung eingebracht werden können. Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Steuergerät eines Kraftfahrzeuges lassen sich mit den im Meßspektrum erhaltenen Informationen also gleichzeitig verschiedene Funktionen beeinflussen, etwa eine Klopfregelung durchführen und gleichzeitig eine Turbolader-Regelung durchführen.
In den Unteransprüchen sind besonders vorteilhafte Verbesserungen und Ausgestaltungen der Erfindung angegeben. So ist es besonders vorteilhaft, daß das Bezugsspektrum in Abhängigkeit von wenigstens einem Betriebsparameter der Brennkraftmaschine steht. Damit läßt sich die Regelung in Abhängigkeit von diesem Betriebsparameter ausgestalten, also eine Vorsteuerung über das Bezugsspektrum ausführen. So ist es etwa möglich, während des Startvorganges der Brennkraftmaschine die Regelung unwirksam zu schalten, um einen guten Start zu ermöglichen, oder es kann im Falle der Beschleunigung der Brennkraftmaschine über die Erfassung des Betriebsparameters "Last" die Erkennungsempfindlichkeit herabgesetzt werden. Bei zylinderspezifischer Regelung der Brennkraftmaschine ist es vorteilhaft, wenn die pro Zylinder erfaßte Betriebsgröße in eine Multikohärenz-Funktion umgerechnet wird, um die Einflüsse von benachbarten Zylindern weitgehend auszuschalten. Falls es für die Regelung interessant ist, lediglich eine Spektrallinie als Meßspektrum zu erhalten, um etwa eine bestimmte Resonanz, z.B. Klopfmittelfrequenz, zu erkennen, so läßt sich durch eine Korrelation der Betriebsgröße mit einer Schwingung der gewünschten Frequenz die maximale Erkennungssicherheit erreichen. Dabei ist es vorteilhaft, wenn diese Frequenz von wenigstens einem Betriebsparameter der Brennkraftmaschine abhängig ist, etwa um die Verschiebung der Klopfmittenfrequenz mit der Drehzahl auszugleichen.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die
Fig. 1 zeigt die schaltungstechnische Grundstruktur des Ausführungsbeispiels; die
Fig. 2 bis 4 zeigen Signaldiagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Bei einer Brennkraftmaschine können unter ungünstigen Bedingungen ungleichmäßige Verbrennungen auftreten, die sich auch in akustisch meßbaren mechanischen Schwingungen äußern, dem sogenannten Klopfen. Derartige Schwingungen werden von einem in der Fig. 1 dargestellten Klopfsensor 1 erfaßt. Der Klopfsensor 1 ist an einem für die Schwingungserfassung günstig gelegenen Ort am Gehäuse der Brennkraftmaschine angebracht, was zur Vereinfachung der Darstellung nicht näher in Fig. 1 dargestellt ist. Zur weiteren Vereinfachung ist auch nicht näher dargegestellt, daß an der Brennkraftmaschine Sensoren zur Erfassung der aktuellen Drehzahl π und des Kurbelwellenwinkels a angebracht sind.
Dem Klopfsensor 1 ist ein Anti-Aliasing-Filter 2 nachgeschaltet, dem ein Regelverstärker 3 folgt. Das Ausgangssignal des Regelverstärkers 3 wird von einem Abtaster 4 abgetastet und von einem Analog-Digital-Wandler 5 digitalisiert. Die Taktrate des Wandlungsvorganges wird von einem Taktgeber 6 vorgegeben, der an eine Steuereinheit 7 angeschlossen ist. Die Steuereinheit 7 erhält vom Taktgeber 6 eine Frequenz / und bildet daraus eine Abtastzeit T für den Abtaster 4 und die Steuerung des Analog-Digital-Wandlers 5, dessen Ausgangswerte in ein Meßwertregister 8 geschoben werden.
Eine klopfende Verbrennung kann nur während eines bestimmten Kurbelwellenwinkel- oder Zeitbereichs im Betrieb der Brennkraftmaschine auftreten. Diesem Bereich wird ein Meßfenster zugeordnet, in dem das Ausgangssignal des Klopfsensors 1 erfaßt und ins Meßwertregister 8 geschrieben wird. In Fig. 2 ist ein Meßsignal innerhalb eines Meßfensters dargestellt, das von der Zeit 0 bis zur Zeit Tm am Ende des Meßfensters andauert.
Zu Beginn eines Meßfensters wird der Verstärkungsfaktor k des Regelverstärkers 3 auf einen großen Wert gesetzt. Der daraus resultierende nächste Abtastwert S wird von der Steuereinheit 7 am Ausgang des Analog-Digital-Wandlers 5 entnommen und als Anfangsspitzenwert festgehalten. Während der Verbrennung wird innerhalb des Meßfensters das Ausgangssignal des Klopfsensors 1 abgetastet und das Meßwertregister 8 aufge-
füllt. Jeder Meßwert 5 wird aufeinanderfolgend in der Steuereinheit 7 mit dem festgehaltenen Spitzenwert verglichen. Überschreitet nun ein neuer Meßwert den Spitzenwert, so wird der Verstärkungsfaktor k des Regelverstärkers 3 halbiert und die bereits im Meßwertregister 8 abgelegten Meßwerte werden durch eine vorzeichenrichtige Verschiebung um eine Bitposition durch 2 dividiert. Somit liegt zum Zeitpunkt TM im Meßwertregister 8 eine optimal ausgesteuerte Zahlenfolge vor, wie sie in Fig. 3 graphisch dargestellt ist. In der Steuereinheit 7 liegt der zugehörige Aussteuerungsfaktor als minimale Verstärkung k vor.
Die im Meßwertregister 8 abgelegten Meßwerte (Signalspektrum) werden nun über einen FFT-Prozessor 9 in ein Meßspektrum umgerechnet, daß in einem Meßspektrum-Register 10 abgelegt wird. In einem programmierbaren Festwertspeicher 11 ist ein Kennfeld gespeichert, daß von einer Recheneinheit 12 angesprochen werden kann, um an der angesprochenen Adresse ein Bezugsspektrum vorzufinden. Die Recheneinheit vergleicht Meßspektrum und Bezugsspektrum miteinander und steuert in Abhängigkeit von der ermittelten Abweichung eine Vorrichtung zur Zündzeitpunktverstellung 13 für die Brennkraftmaschine.
Während des zuvor beschriebenen Einlesens der Meßwerte in das Meßwertregister 8 werden die Meßwerte mit einer kosinusförmigen Hamming-Fensterfunktion H(k) gewichtet, um eine höhere spektrale Auflösung zu erreichen. Eine solche Fensterfunktion ist in Fig. 5 dargestellt.
Die Recheneinheit 12 erhält von der Brennkraftmaschine Informationen über die aktuelle Drehzahl η und den Kurbelwellenwinkel a. In Abhängigkeit von der Drehzahl wird der Beginn jedes neuen Meßfensters zu einem bestimmten Kurbelwellenwinkel festgelegt. Dieser Beginn eines Meßfensters wird der Steuereinheit 7 von der Recheneinheit 12 mitgeteilt. Am Ende des Meßfensters zur Zeit Tm ist das Meßwertregister 8 vollgeschrieben und die Recheneinheit 12 erteilt dem FFT-Prozessor 9 den Wandlungsbefehl.
Der FFT-Prozessor 9 ist ein Signalprozessor, der mit Hilfe des Fast-Fourier-Transform-Algorithmus (FFT) die diskrete Fourier-Transformation ausführt. Dabei bilden die im Meßwertregister 8 abgelegten Meßwerte eine reellwertige Eingangsfolge. Daraus wird durch die diskrete Fourier-Transformation eine komplexwertige symmetrische Ausgangsfolge. Bei No = 128 im Meßwertregister 8 abgespeicherten Meßwerten ist die spektrale Information also sowohl in den ersten 64 als auch in den letzten 64 Elementen der komplexwertigen Ausgangsfolge enthalten. Aus einer komplexwertigen Halbfolge berechnet der FFT-Prozessor 9 über die Quadratsumme das Betragsspektrum als Meßsspektrum mit 64 Spektrallinien, das im Meßspektrumspeicher 10 abgelegt wird. In der Fig. 4 ist ein solches Meßspektrum dargestellt.
Aus der Drehzahl η der Brennkraftmaschine berechnet die Recheneinheit 12 die Adresse des im Bezugspektrumspeicher 12 abgelegten Bezugsspektrums. In der Fig. 4 ist mit einer Kurve 14 ein solches Bezugsspektrum dargesiellt, das zwischen fünf im Bezugsspektrumsspeicher 11 gespeicherten Punkten interpoliert wird. Durch Vergleich zwischen Meßspektrum und Bezugsspektrum erkennt nun die Recheneinheit 12 unter Berücksichtigung des Aussteuerungsfaktors, daß im oberen Spektralbereich die Spektrallinien des Meßspektrums über die des Bezugsspektrums hinausreichen. Damit ist eine klopfende Verbrennung erkannt und die Recheneinheit 12 veranlaßt die Zündzeitpunktverstellung 13, den Zündwinkel zurückzunehmen.
Gleichzeitig mit der Klopferkennung erkennt die Recheneinheit 12 über den Vergleich zwischen Meßspektrum und Bezugsspektrum, daß das Meßsspektrum in weitern Bereich unterhalb der Linie 14 bleibt. Die mittlere Abweichung zwischen Meßspektrum und Bezugsspektrum stellt ein Maß für die Last der Brennkraftmaschine dar. Sie wird der Zündzeitpunktverstellung 13 von der Recheneinheit 12 für eine lastabhängige Vorsteuerung der Klopfregelung mitgeteilt.
Die Gewinnung eines Meßspektrums wird nun nicht nur zur Klopfregelung herangezogen, sondern es werden auch Meßfenster während anderer Kurbelwellen-Winkelbereiche gebildet, die zur zylinderspezifischen Erfassung des Klopfens eines anderen Zylinders herangezogen werden. Durch die hohe spektrale Selektivität des erfindungsgemäßen Verfahrens können dabei die unter anderem von den benachbarten Zylindern verursachten Hintergrundgeräusche sauber vom Nutzsignal getrennt werden.
Auf die gleiche Art können andere Meßfenstcr gebildet werden, um die Einlaß- und Auslaßgeräusche an den Ventilen der Brennkraftmaschine zu erfassen, um darauf eine Regelung der Ventilsteuerzeiten der Brennkraftmaschine aufzubauen. Bei Brennkraftmaschinen mit direkter Kraftstoffeinspritzung in die Brennkammer können über das erfindungsgemäße Verfahren Einspritzzeit und -menge während des Betriebes geregelt werden.
Da das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf eine Erfassung der absoluten Frequenzwerte und Amplituden der Spektrallinien beruht, sondern auf einen relativen Vergleich zwischen herausragenden Frequenzen als Nutzsignal und Hintergrundgeräusch als Störsignal, braucht die Meßwertbildung nicht unbedingt mit einer konstanten Taktgeberfrequenz F betrieben werden. Es ist ohne weiteres möglich, die Abtastung kurbelwellenwinkelsynchron durchzuführen, da die dadurch bedingten spektralen Verschiebungen mit der Drehzahl der Brennkraftmaschine durch eine entsprechende Gestaltung des Bezugsspektrum-Kennfeldcs ausgeglichen werden können. Die Abtastfrequenz kann dann durch der bei Inkrementsystemen ohnehin oft vorhandene Frequenzvervielfachstufe gebildet werden. Weiterhin können die Abtastwerte an einer nichtlinearen Kennlinie expandiert werden, um das Nutzsignal besser vom Störsignal trennen zu können. Eine derartige Kennlinie ist in Fig. 6 dargestellt. Solche Expansionsverfahren sind auch aus der Tonübertragungstechnik bekannt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung werdenk in der Recheneinheit 12 nicht direkt die vom FFT-Prozessor 9 gebildeten Meßspektren mit den zugehörigen Bezugsspektren verglichen, sondern es werden aus einem Satz von Meßspektren, wobei je ein Meßspektrum einem Zylinder der Brennkraftmaschine zugeordnet ist, über Auto- und Kreuzspektren die jeweiligen Multikohärenzfunktion berechnet. Danach ist je eine Kohärensfunktion einem Zylinder der Brennkraftmaschine zugeordnet in der Recheneinheit 12 vorhanden. Die Kohä-
bo renzfunktionen unterscheiden sich von den Meßspektren insbesondere dadurch, daß die Beiträge der jeweils anderen Zylinder zum Slörsignal eleminier! wurden, wodurch sich eine erhöhte Krkeiinungssicherheit für das Nutzsignal ergibt, wenn die Kohärenzfünktion anstelle der ursprünglichen Meßspektren mit den jeweiligen Bezugsspektren verglichen werden.
BAD ORIGINAL

Claims (15)

Patentansprüche
1. Verfahren zur Steuerung oder Regelung einer Brennkraftmaschine mit Erfassung wenigstens einer Betriebsgröße (1) der Brennkraftmaschine, mit Steuerung wenigstens einer Stellgröße (13) der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von der Betriebsgröße, wobei die erfaßte Betriebsgröße wenigstens einen Teil eines Schwingungsspektrums der Brennkraftmaschine als Information enthält, dadurch gekennzeichnet, daß aus der erfaßten Betriebsgröße ein in ihr enthaltener Teil des Schwingungsspektrums als Meßspektrum (10) gebildet wird, vorzugsweise durch diskrete Fourier-Transformation, daß das Meßspektrum mit einem Bezugsspektrum (11) verglichen wird, und daß die zu steuernde Stellgröße der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit der Abweichung zwischen Meßspektrum und Bezugsspektrum gesteuert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsgröße aus mechanischen Schwingungen, Ionenströmen oder elektromagnetischen Signalen im Brennraum oder aus Gasdrucksignalen der Brennkraftmaschine gebildet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsgröße aus mechanischen Schwingungen von mit der Brennkraftmaschine verbundenen Teilen, vorzugsweise Getriebeschwingungen, gebildet wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Anspriiche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellgröße den Zündzeitpunkt, den Einspritzzeitpunkt, die Einspritzmenge, den Ladedruck, die Getriebedrehzahl, die Abgasrückführung oder Ventilsteuerzeiten beeinflußt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Bezugsspektrum in Abhängigkeit von wenigstens einem Betriebsparameter, vorzugsweise der Drehzahl, der Brennkraftmaschine steht.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine wenigstens zwei Brennräume aufweist, deren Arbeitszyklen zueinander in einer festen Phasenbeziehung stehen, daß jedem Brennraum zugeordnet jeweils ein Meßspektrum gebildet wird, daß aus den Meßspektren eine jedem Brennraum zugeordnete Kohärenzfunktion gebildet wird, die anstelle eines einem Brennraum zugeordneten Meßspektrums mit einem Bezugsspektrum verglichen wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsgröße mit einer Schwingung korreliert wird, so daß sich ein Meßspektrum mit einer einzigen Spektrallinie bei der Frequenz der Schwingung ergibt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Schwingung in Abhängigkeit von wenigstens einem Betriebsparameter der Brennkraftmaschine steht.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßspektrum mit einer Fensterfunktion gewichtct wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erfaßte Betriebsgröße nichtlinear expandiert wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsgröße abgetastet (4) und digitalisiert (5) wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß während der Abtastung der maximale Betragswert (s) der Abtastwerte gewonnen wird, und daß die Abtastwerte auf die nächstniedrige Zweierpotenz unterhalb des maximalen Betragswertes normiert werden.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsgröße mit einer konstanten Frequenz ab einem vorgegebenen Anfangszeitpunkt abgetastet wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenbeziehung des Anfangszeitpunktes zu einem Arbeitszyklus der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von wenigstens einem Beiriebsparameter der Brennkraftmaschine steht.
15. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsgröße mit einer zur Drehzahl den Brennkraftmaschinen proportionalen Frequenz abgetastet wird, und daß das Bezugsspektrum in Abhängigkeit von der Drehzahl der Brennkraftmaschine steht.
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