EP1567757B1 - Verfahren und vorrichtung zur schätzung des brennraumdrucks - Google Patents

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EP1567757B1
EP1567757B1 EP03812145A EP03812145A EP1567757B1 EP 1567757 B1 EP1567757 B1 EP 1567757B1 EP 03812145 A EP03812145 A EP 03812145A EP 03812145 A EP03812145 A EP 03812145A EP 1567757 B1 EP1567757 B1 EP 1567757B1
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model
alternating torque
combustion chamber
torque
internal combustion
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Wilfried Schultalbers
Henning Rasche
Hermann Fehrenbach
Joachim Scheu
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Audi AG
IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
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Audi AG
IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D35/00—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for
    • F02D35/02—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for on interior conditions
    • F02D35/023—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for on interior conditions by determining the cylinder pressure
    • F02D35/024—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for on interior conditions by determining the cylinder pressure using an estimation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02D2200/1002—Output torque
    • F02D2200/1004—Estimation of the output torque

Definitions

  • the present invention relates to a method for estimating a combustion chamber pressure of an internal combustion engine and to a corresponding device for this purpose.
  • the combustion chamber pressure is often used as the decisive variable. Burning knowledge can be used for engine control to optimize the combustion process. Accordingly, the parameters of the combustion process, e.g. B. ignition timing and valve control, are set by the engine control unit.
  • the combustion chamber pressure can be determined by a pressure sensor, as disclosed in document WO 02/071308 A1. Due to the extremely high pressures to be measured, such sensors are inexpensive neither in production nor in installation and in maintenance. This affects all the more disadvantageous in internal combustion engines with high numbers of cylinders.
  • the object of the present invention is therefore to obtain data on the combustion process in the individual combustion chambers of an internal combustion engine in a more cost-effective manner.
  • this object is achieved by a method for estimating a combustion chamber pressure of an internal combustion engine by modeling the internal combustion engine with a plurality of model parameters in a model providing a combustion chamber pressure value and a model change torque, detecting a lst alternating torque, matching the model change torque with the actual alternating torque while modifying the Model parameters and determining an estimate of the combustion chamber pressure based on the model based on the changed model parameters.
  • the invention provides a corresponding device for estimating a combustion chamber pressure of an internal combustion engine having a computing device for modeling the internal combustion engine with a plurality of model parameters in a model providing a combustion chamber pressure value and a Modellwechseicardmoments, connected to the computing means detecting means for detecting an actual alternating torque, wherein by the Computing unit the model change torque with the actual Wochseicardmoment under modification of the model parameters can be adjusted and an estimated value of the combustion chamber pressure based on the model based on the changed model parameters can be determined.
  • the model according to the invention it is possible to obtain information about the energy consumption in each cylinder.
  • the advantage here is that a map with a large number of parameters does not have to be recorded in advance for each cylinder in order to obtain data about the combustion process for a current run. Rather, it is possible through the model to obtain realistic parameters for the cycle and thus, for example, to carry out a pollutant or fuel minimization.
  • the model includes a cycle model for describing combustion in a combustion chamber.
  • Suitable cycle process models are well known and can simulate virtually any firing process with a variety of parameters.
  • the model may include a mechanical model for describing a spring-mass system of the internal combustion engine.
  • the individual mechanics of an internal combustion engine for generating a torque can be taken into account.
  • a band limitation can be provided.
  • the DC component can be filtered out and, on the other hand, any possible interference in the high-frequency range can be minimized.
  • the comparison between the model change torque and the actual alternating torque is performed by error calculation and reducing the error below a predetermined limit by the model parameters with the help of a control loop.
  • a control loop Through this control loop an automatic model validation takes place.
  • the actual alternating torque may be an estimated value determined by a torque estimation model. Furthermore, the actual alternating torque can also be detected by measurement, as mentioned in the introduction.
  • the basis of the cylinder pressure estimation is a comparison of an actual measured or also estimated actual alternating torque IW with a model change torque MW, which is determined by a suitable model.
  • the model is shown as a rip line on the right side.
  • the model consists essentially of a cycle model 1 and a mechanical model 2.
  • starting values for example for engine temperature, ignition timing and the like, are first taken from the engine control as rough reference values for current engine operating values.
  • the cycle process model 1 calculates a pressure curve in the individual combustion chambers of the various cylinders.
  • the mechanical model 2 uses the determined pressure profiles in the individual cylinders in order to generate a torque curve of the crankshaft.
  • the spring-mass system of the internal combustion engine is taken into account.
  • a torque with DC and AC component is calculated.
  • the alternating component includes torsional moments, for example, the crankshaft and moments of inertia of rotating or oscillating masses such as crankshaft, connecting rod and the like.
  • the torque profile obtained from the mechanical model 2 is subjected to a band limitation in the block 3. This is used in particular for the averaging, d. H. the liberation of the torque curve from the occurring equal moment.
  • the band limitation also eliminates higher interference frequencies, so that the signal-to-noise ratio of the remaining useful signal increases. Output signal of the block 3 is thus a noise-reduced model change torque MW.
  • this model change torque MW is compared with an actual alternating torque IW and a corresponding error is determined and provided as an output signal.
  • the mean square error is used as the error.
  • an attempt is made to minimize this error.
  • the error is compared with a predetermined barrier. If the error is greater than the limit, one or more of the model parameters for the cycle model 1 is changed. If the mean square error is smaller than the predetermined barrier, then the desired optimum is achieved and the model parameters of the cycle model 1 can be regarded as realistic for the current combustion process.
  • the optimal model parameters are found here iteratively in a control loop.
  • a computationally complex one-step method can also be used for this purpose.
  • crank angle-resolved evaluation of the torque curve for estimating the cylinder pressure can be drawn.
  • the cylinder pressure estimate thus achieved paves the way for speed-based, cylinder-selective engine management without costly cylinder pressure sensors.
  • a typical application would be cylinder misfire detection.
  • the obtained engine data can also be used for the vehicle safety concepts.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schätzung eines Brennraumdrucks einer Brennkraftmaschine sowie eine entsprechende Vorrichtung hierzu.
  • Zur Beschreibung der Vorgänge in einer Brennkammer einer Brennkraftmaschine wird vielfach der Brennraumdruck als maßgebliche Größe herangezogen. Kenntnisse über die Verbrennung können für die Motorsteuerung verwendet werden, um den Verbrennungsprozess zu optimieren. Dementsprechend können die Parameter des Verbrennungsprozesses, z. B. Zündzeitpunkt und Ventilsteuerung, durch das Motorsteuergerät gesetzt werden.
  • Der Brennraumdruck lässt sich durch einen Drucksensor ermitteln, wie im Dokument WO 02/071308 A1 offenbart. Aufgrund der ausgesprochen hohen zu messenden Drücke sind derartige Sensoren weder in der Herstellung noch im Einbau und in der Wartung kostengünstig. Dies wirkt sich umso nachteiliger bei Brennkraftmaschinen mit hohen Zylinderzahlen aus.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, auf kostengünstigere Art und Weise Daten über den Verbrennungsprozess in den einzelnen Brennräumen einer Brennkraftmaschine zu gewinnen.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Schätzung eines Brennraumdrucks einer Brennkraftmaschine durch Modellieren - der Brennkraftmaschine mit mehreren Modellparametern in einem Modell unter Bereitstellung eines Brennraumdruckwerts und eines Modellwechseldrehmoments, Erfassen eines lst-Wechseldrehmoments, Abgleichen des Modellwechseldrehmoments mit dem Ist-Wechseldrehmoment unter Abänderung der Modellparameter und Ermitteln eines Schätzwerts des Brennraumdrucks anhand des Modells auf der Grundlage der geänderten Modellparameter.
  • Ferner ist erfindungsgemäß vorgesehen eine entsprechende Vorrichtung zur Schätzung eines Brennraumdrucks einer Brennkraftmaschine mit einer Recheneinrichtung zum Modellieren der Brennkraftmaschine mit mehreren Modellparametern in einem Modell unter Bereitstellung eines Brennraumdruckwerts und eines Modellwechseidrehmoments, einer an die Recheneinrichtung angeschlossene Erfassungseinrichtung zum Erfassen eines Ist-Wechseldrehmoments, wobei durch die Rechnereinheit das Modellwechseldrehmoment mit dem Ist-Wochseidrehmoment unter Abänderung der Modellparameter abgleichbar und ein Schätzwert des Brennraumdrucks anhand des Modells auf der Grundlage der geänderten Modellparameter ermittelbar ist.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Modell ist es möglich, Aussagen über den E-nergieumsatz in jedem Zylinder zu erhalten. Vorteilhaft dabei ist, dass nicht für jeden Zylinder ein Kennfeld mit einer Vielzahl von Parametern im Vorfeld aufgenommen werden muss, um für einen aktuellen Lauf Daten über den Verbrennungsprozess zu erhalten. Vielmehr ist es durch das Modell möglich, realistische Parameter für den Kreisprozess zu erhalten und damit beispielsweise eine Schadstoff- oder Kraftstoffminimierung durchzuführen.
  • Vorzugsweise ist in dem Modell ein Kreisprozessmodell zur Beschreibung einer Verbrennung in einer Brennkammer enthalten. Geeignete Kreisprozessmodell sind hinlänglich bekannt und lassen mit einer Vielzahl von Parametern praktisch jeden Brennprozess simulieren.
  • Ferner kann das Modell ein mechanisches Modell zur Beschreibung eines Feder-Masse-Systems der Brennkraftmaschine umfassen. Hiermit kann die individuelle Mechanik einer Brennkraftmaschine zur Erzeugung eines Drehmoments berücksichtigt werden.
  • Zur Gewinnung eines Modellwechseldrehmoments kann eine Bandbegrenzung vorgesehen sein. Mit Hilfe dieser Bandbegrenzung lässt sich zum einen der Gleichanteil ausfiltern und zum anderen eventuelle Störungen im Hochfrequenzbereich minimieren.
  • Vorzugsweise erfolgt der Abgleich zwischen dem Modellwechseldrehmoment und dem Ist-Wechseldrehmoment durch Fehlerberechnung und Reduzieren des Fehlers unter eine vorgegebene Schranke durch die Modellparameter mit Hilfe eines Regelkreises. Durch diesen Regelkreis erfolgt eine automatische Modellvalidierung. Es ist aber auch möglich, aus der Abweichung zwischen dem Modellwechseldrehmoment und dem Ist-Wechseldrehmoment durch einen einzigen Rechenschritt optimierte Modellparameter zu ermitteln, was auch als Einschrittverfahren bezeichnet wird.
  • Das Ist-Wechseldrehmoment kann ein Schätzwert sein, der durch ein Momentenschätzmodell ermittelt wurde. Des Weiteren kann das Ist-Wechseldrehmoment auch messtechnisch erfasst werden, wie dies in der Einleitung erwähnt wurde.
  • Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert, die ein Blockschaltdiagramm des erfindungsgemäßen Modells zur Zylinderdruckschätzung wiedergibt. Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
  • Grundlage der Zylinderdruckschätzung ist ein Vergleich eines tatsächlich gemessenen oder ebenfalls geschätzten Ist-Wechseldrehmoments IW mit einem Modellwechseldrehmoment MW, das durch ein geeignetes Modell ermittelt wird. In der Abbildung ist das Modell als Regeischleife auf der rechten Seite dargestellt. Das Modell setzt sich im Wesentlichen aus einem Kreisprozessmodell 1 und einem mechanischen Modell 2 zusammen. In das Kreisprozessmodell werden, wie dies durch den von oben kommenden Pfeil in der Abbildung angedeutet ist, zunächst Startwerte zum Beispiel für Motortemperatur, Zündzeitpunkt und dergleichen als grobe Anhaltswerte für aktuelle Betriebswerte des Motors aus der Motorsteuerung entnommen. Auf der Grundlage dieser Eingangsparameter berechnet das Kreisprozessmodell 1 einen Druckverlauf in den einzelnen Brennkammern der verschiedenen Zylinder.
  • Das mechanische Modell 2 verwendet die ermittelten-Druckverläufe in den einzelnen Zylindern, um daraus einen Momentenverlauf der Kurbelwelle zu generieren. Hierzu wird das Feder-Masse-System der Brennkraftmaschine berücksichtigt. Insbesondere wird ein Drehmoment mit Gleich- und Wechselanteil berechnet. Der Wechselanteil beinhaltet Torsionsmomente beispielsweise der Kurbelwelle und Trägheitsmomente rotierender oder oszillierender Massen wie Kurbelwelle, Pleuel und dergleichen.
  • Der aus dem mechanischen Modell 2 gewonnene Momentenverlauf wird in dem Block 3 einer Bandbegrenzung unterzogen. Diese dient insbesondere der Mittelwertbefreiung, d. h. der Befreiung des Momentenverlaufs von dem auftretenden Gleichmoment. Darüber hinaus werden durch die Bandbegrenzung auch höhere Störfrequenzen eliminiert, so dass das Signal-RauschVerhältnis des verbleibenden Nutzsignals steigt. Ausgangssignal des Blocks 3 ist somit ein störungsreduziertes Modellwechseldrehmoment MW.
  • In dem Block 4 wird dieses Modellwechseldrehmoment MW mit einem Ist-Wechseldrehmoment IW verglichen und ein entsprechender Fehler ermittelt und als Ausgangssignal bereitgestellt. Vorzugsweise wird als Fehler der mittlere quadratische Fehler verwendet.
  • In einem Block 5 wird versucht, diesen Fehler zu minimieren. Hierzu wird der Fehler mit einer vorgegebenen Schranke verglichen. Ist der Fehler größer als die Schranke, so wird einer oder mehrere der Modellparameter für das Kreisprozessmodell 1 geändert. Ist der mittlere quadratische Fehler kleiner als die vorgegebene Schranke, so ist das gewünschte Optimum erreicht und die Modellparameter des Kreisprozessmodells 1 können als für den aktuellen Verbrennungsvorgang realistisch angesehen werden.
  • Die optimalen Modellparameter werden hier iterativ in einer Regelschleife gefunden. Alternativ kann hierfür aber auch ein rechnerisch aufwändigeres Einschrittverfahren verwendet werden.
  • Im linken Teil der Abbildung ist angedeutet, wie das Ist-Wechseldrehmoment IW ermittelt wird. Dies erfolgt im vorliegenden Fall mittels eines Momentenschätzverfahrens. Das hierfür verwendete Modell ist mit Block 6 symbolisiert. Dabei durchläuft ein mittels Periodendauermessung 61 gewonnenes Drehzahlsignal zunächst eine Geberradfehlerkompensation beziehungsweise Geberradadaption 62. Der Geberradfehler muss für jeden Motor vorher nur einmal eingelernt und dann abgelegt werden. Die anschließende Verarbeitung mit digitaler Filterung und Massenkraftkompensation 63 führt zum gewünschten Ist-Wechseldrehmoment IW.
  • Anstelle der Schätzung des Ist-Vllechseldrehmoments kann dieses auch unmittelbar durch Messung ermittelt werden. Eine Sensorik hierfür ist aus Kostengründen in Serien-Fahrzeugen in der Regel jedoch nicht verbaut.
  • Zusammenfassend betrachtet kann somit die kurbelwinkelaufgelöste Auswertung des Momentensigrials zur Schätzung des Zylinderdrucks herängezogen werden. Die so realisierte Zylinderdruckschätzung ebnet den Weg zum drehzahlbasierten, zylinderselektiven Motormanagement ohne kostspielige Zylinderdrucksensoren. Ein typischer Anwendungsfall wäre die Zylinderaussetzererkennung. Des Weiteren können die gewonnen Motordaten auch für die Kraftfahrzeugsicherheitskonzepte verwendet werden.

Claims (12)

  1. Verfahren zur Schätzung eines Brennraumdrucks einer Brennkraftmaschine, mit den Schritten :
    Modellieren der Brennkraftmaschine mit mehreren Modellparametern in einem Modell (1, 2) unter Bereitstellung eines Brennraumdruckwerts und eines Modellwechseldrehmoments (MW),
    Erfassen eines Ist-Wochseidrehmoments (IW),
    gekennzeichnet durch
    Abgleichen (4, 5) des Modellwechseldrehmoments (MW) mit dem Ist-Wechseldrehmoment (IW) unter Abänderung der Modellparameter und
    Ermitteln eines Schätzwerts des Brennraumdrucks anhand des Modells (1, 2) auf der Grundlage der geänderten Modellparameter.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Modell (1, 2) ein Kreisprozessmodell (1) zur Beschreibung einer Verbrennung in einer Brennkammer umfasst, wobei insbesondere Startwerte aus einer Motorsteuerung entnommen werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Modell (1, 2) ein mechanisches Modell (2) zur Beschreibung eines Feder-Masse-Systems der Brennkraftmaschine umfasst.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zur Gewinnung des Modellwechseldrehmoments (MW) eine Bandbegrenzung (3) durchgeführt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Abgleichen (4, 5) durch Fehlerberechnung (4) und Reduzieren des Fehlers (5) unter eine vorgegebene Schranke in einem Regelkreis mittels der Modellparameter erfolgt.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Ist-Wechseldrehmoment (IW) ein Schätzwert aus einem Momentenschätzmodell ist.
  7. Vorrichtung zur Schätzung eines Brennraumdrucks einer Brennkraftmaschine, mit
    einer Recheneinrichtung zum Modellieren der Brennkraftmaschine mit mehreren Modellparametern in einem Modell (1, 2) unter Bereitstellung eines Brennraumdruckwerts und eines Modellwechseidrehmoments (MW),
    einer an die Recheneinrichtung angeschlossenen Erfassungseinrichtung zum Erfassen eines Ist-Wechseldrehmoments (IW,) dadurch gekennzeichnet, dass durch die Recheneinrichtung das Modellwechseldrehmoment (MW) mit dem Ist-Wechseldrehmoment (IW) unter Abänderung der Modellparameter abgleichbar und ein Schätzwert des Brennraumdrucks anhand des Modells (1, 2) auf der Grundlage der geänderten Modellparameter ermittelbar ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei das in der Recheneinrichtung abgelegte Modell (1, 2) ein Kreisprozessmodell (1) zur Beschreibung einer Verbrennung in einer Brennkammer umfasst, wobei insbesondere Startwerte aus einer Motorsteuerung entnehmbar sind.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, wobei das in der Recheneinrichtung abgelegte Modell (1, 2) ein mechanisches Modell (2) zur Beschreibung eines Feder-Masse-Systems der Brennkraftmaschine umfasst.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, die zur Gewinnung des Nlodellwechseldrehmoments (MW) aus einem Momentenverlauf eine Filtereinrichtung für eine Bandbegrenzung (3) umfasst.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei ein Abgleichen des Modellwechseldrehmoments (MW) mit dem Ist-Wechseldrehmoment (IW) in der Recheneinrichtung durch Fehlerberechnung und Reduzieren eines Fehlers unter eine vorgegebene Schranke in einem Regelkreis mit tels der Modellparameter durchführbar ist.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei die Erfassungseinrichtung zum Erfassen des Ist-Wechseldrehmoments (lW) eine weitere Recheneinrichtung zum Schätzen des Ist-Wechseldrehmoments (IW) aus einem Messwert bezüglich einer Winkelgeschwindigkeit der Brennkraftmaschine besitzt.
EP03812145A 2002-11-29 2003-11-05 Verfahren und vorrichtung zur schätzung des brennraumdrucks Expired - Lifetime EP1567757B1 (de)

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