EP2041415A1 - Verfahren zur erhöhung der auflösung von ausgangssignalen mindestens eines messsensors für einen verbrennungsmotor sowie zugehöriges steuergerät - Google Patents

Verfahren zur erhöhung der auflösung von ausgangssignalen mindestens eines messsensors für einen verbrennungsmotor sowie zugehöriges steuergerät

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EP2041415A1
EP2041415A1 EP07765572A EP07765572A EP2041415A1 EP 2041415 A1 EP2041415 A1 EP 2041415A1 EP 07765572 A EP07765572 A EP 07765572A EP 07765572 A EP07765572 A EP 07765572A EP 2041415 A1 EP2041415 A1 EP 2041415A1
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EP
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sensor
measuring
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epd
pressure
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Continental Automotive Technologies GmbH
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    • F02D2041/281—Interface circuits between sensors and control unit
    • F02D2041/285—Interface circuits between sensors and control unit the sensor having a signal processing unit external to the engine control unit

Definitions

  • the cylinder pressure sensor DS thus provides an internal pressure of the cylinder CY associated, in particular in substantially proportional, electrical signal as Sensorrohsignal ZS, which is converted by the evaluation / logic unit LE, in particular a transmitter such as a transducer into a voltage signal SV and thereby possibly amplified.
  • This voltage signal SV is scaled by dividing it into the different measuring range sections such as A, B, C, ie its original dynamic range is limited to a fixed voltage level range.
  • This sensor output signal SS is transmitted to the engine control unit ECU via a measuring line SL. There it is with
  • the engine control unit ECU uses one or more different operating parameters of the internal combustion engine CE.
  • the speed N of the crankshaft of the internal combustion engine CE and the adjusting angle TPS of the throttle valve determine the current operating point BP for the cyclical combustion process.
  • a sensor value for example, a voltage, an electric current, etc. are used.
  • the low-pressure region is the first 360 ° crankshaft angle range and the high pressure region associated with the second 360 ° crankshaft angle range.
  • the corresponding measuring range is then selected.

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Description

Beschreibung
Verfahren zur Erhöhung der Auflösung von Ausgangssignalen mindestens eines Messsensors für einen Verbrennungsmotor sowie zugehöriges Steuergerät
Beispielsweise liefern Zylinderdrucksensoren wertvolle Daten über die Verbrennung in Brennkraftmaschinen. Aus ihrem jeweiligen Druckverlauf können z.B. die zeitlich umgesetzte Energiemenge sowie der Verbrennungsschwerpunkt eines Verbrennungsmotors bestimmt werden. Auch für Kreisprozessrechnungen des Verbrennungsprozesses des jeweiligen Verbrennungsmotors bildet der Zylinderdruck neben dem Kurbelwellenwinkel des Verbrennungsmotors eine zentrale Eingangsgröße. Zum Beispiel bei 4-Takt Brennkraftmaschinen unterteilt sich der Verbrennungs-/Kreisprozess in eine Hoch- /und eine Niederdruckschleife. Dies veranschaulicht schematisch das p-V (Druck/Volumen) Diagramm von Figur 2. Dort sind die Hochdruckschleife mit AS sowie die Niederdruckschleife mit LWS bezeichnet. Die Hochdruckschleife AS setzt sich aus einer Arbeitskurve Kl für die Expansions¬ bzw. Verbrennungsphase des Kreisprozesses sowie einer Teilkurve K2 zusammen, die die Kompressionsphase des Kreisprozesses repräsentiert. Die Teilkurve K3 der Niederdruckschleife LWS repräsentiert die Ausstoßphase des
Kreisprozesses. Die Teilkurve K4 der Niederdruckschleife LWS beschreibt das Verhalten der 4-Takt Verbrennungskraftmaschine während deren Ansaugtakts. Die Hochdruckschleife AS und die Niederdruckschleife LWS unterscheiden sich voneinander wesentlich im Druckniveau. Während die Niederdruckschleife LWS in einem Druckbereich von etwa 1 bar liegt, kann die Hochdruckschleife AS im Extremfall bis auf dreistellige Zahlenwerte für den Druck p gehen. Genau hierin liegt ein messtechnisches Problem. Ausgeführt als Analogsensoren liefern Drucksensoren ein der physikalischen Größe, d.h. dem Druck proportionales elektrisches Signal. Dieses elektrische Signal wird von einer Elektronik (insbesondere einem Messwandler) in ein Spannungssignal umgewandet und ggf. verstärkt. Das jeweils vom Drucksensor ausgegebene Spannungssignal liegt dann innerhalb eines typischen Sensorausgangsspannungsbereichs z.B. zwischen 0 und 5 Volt. Dieses Spannungssignal wird vom Drucksensor zum Motorsteuergerät geführt und dort von einem A/D-Wandler (Analog-Digital-Wandler) prozessorgerecht aufgearbeitet. Üblicherweise werden 8, 10 oder 12 Bit Wandler je nach Genauigkeitsanforderung eingesetzt. Höher auflösende Wandler werden aus EMV (elektromagnetische Verträglichkeit ) -Gründen in der Automobiltechnik kaum eingesetzt. Da der jeweilige Drucksensor zweckmäßigerweise auf einen Druckbereich ausgelegt wird, der im jeweiligen Zylinder des Verbrennungsmotors maximal auftreten kann, können niedrige Druckwerte nur grob wiedergegeben werden, obwohl vom Sensorelement des Drucksensors eine höhere Auflösung bereitgestellt werden könnte. Beispielsweise ergibt sich bei einem A/D-Wandler von 8 Bit, der damit 256 Messpunkte darstellen kann, und einem Ausgangsspannungsbereich für den Drucksensor zwischen 0 und 5 Volt eine Auflösung von 5 Volt/256 = 19 mV. Demgegenüber weist das Sensorelement des Drucksensors eine physikalisch kleinste Auflösung von beispielsweise etwa 1 mV auf. Dies bedeutet, dass die Ausgangssignale des Drucksensors aufgrund der geringen Anzahl von Messpunkten bei der A/D-Wandlung erst ab 19 mV erfasst bzw. registriert werden können. Der darunter liegende Messbereich von 0 bis 18 mV des Drucksensors - was theoretisch 19 Messwerten des Sensorelements des Drucksensors entspricht - bleibt trotz höherer Auflösung des Sensorelements hingegen ungenutzt und kann nicht erfasst werden. Mit anderen Worten ausgedrückt geht damit eine zu geringe Auflösung für das Ausgangssignal des Zylinderdrucksensors einher.
Eine triviale Möglichkeit, die A/D-Wandlung zu verbessern, wäre, anstelle eines 8 Bit Wandlers einen 10 Bit Wandler einzusetzen, d.h. allgemein ausgedrückt einen A/D-Wandler mit mehr Bit Umsetzung zu verwenden. Diesen Maßnahmen sind jedoch in der Automobiltechnik - wie weiter oben bereits beschrieben - klare Einsatzgrenzen vorgegeben. Eine andere Möglichkeit bestände darin, den Gesamtmessbereich z.B. in einen Niederdruck- und einen Hochdruckbereich aufzuspalten. Beispielsweise könnte der Ausgangsspannung des Drucksensors zwischen 0 und 5 Volt ein erster Messbereich zwischen 0 und 2 bar sowie ein zweiter Messbereich zwischen 2 und 100 bar für den Druck im jeweiligen Zylinder zugeordnet werden. Welcher Messbereich gerade aktiv ist, müsste dann dem Drucksensor durch ein Steuersignal aus der Motorsteuerung bzw. dem Motorsteuergerät mitgeteilt werden. Alternativ dazu könnte der Drucksensor auch selbstständig zwischen seinen verschiedenen Messbereichen umschalten und den jeweils aktivierten Messbereich der Motorsteuerung mittels einer extra Steuerleitung mitteilen. Dies wäre jedoch unter manchen praktischen Gegebenheiten der Motorentechnik hinsichtlich des Signalisierungsaufwands zwischen dem Verbrennungsmotor und der Motorsteuerung bzw. dem Steuergerät zu aufwendig. Solche Auflösungs- bzw. Genauigkeitsprobleme treffen ggf. auch für andere Messsensoren zu, die für den Verbrennungsprozess eines Verbrennungsmotors vorgesehen sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg aufzuzeigen, wie die an für sich hohe Auflösung des Sensorelements eines Messsensors trotz unzureichender A/D- Wandlung seines Ausgangssignals in einfacher Weise verbessert genutzt werden kann. Diese Aufgabe wird durch die Schritte folgenden erfindungsgemäßen Verfahrens gelöst:
Verfahren zur Erhöhung der Auflösung von Ausgangssignalen mindestens eines Messsensors für einen Verbrennungsmotor, indem der Arbeitspegelbereich des Messsensors, innerhalb dem die Pegelwerte dessen Sensorrohsignals liegen, in mindestens zwei Messbereichsabschnitte unterteilt wird, indem jedem Messbereichsabschnitt derselbe vorgegebene, gegenüber dem Arbeitspegelbereich begrenzte Ausgangspegelbereich des
Ausgangssignals des Messsensors zugeordnet wird, und wobei die Umschaltung von einem zum anderen Messbereichsabschnitt selbstständig vom Messsensor durchgeführt wird, wenn eine Messbereichsgrenze zwischen je zwei benachbarten Messbereichsabschnitten erreicht oder über- oder unterschritten wird, indem mittels einer Motorsteuerung der Betriebspunkt des Verbrennungsmotors aufgrund von mindestens einem Betriebsparameter für dessen Verbrennungsprozess ermittelt wird, indem aus mindestens einer Kennfeldinformation für den aktuell ermittelten Betriebspunkt der zeitliche Verlauf des Sensorrohsignals des Messsensors prädiziert wird, und indem von der Motorsteuerung aufgrund dieses prädizierten zeitlichen Sensorrohsignalverlaufs ermittelt wird, welcher Messbereichsabschnitt des Messsensors aktuell aktiviert ist.
Dadurch können aufwendige Steuerleitungen zwischen dem Steuergerät und dem jeweiligen Messsensor entfallen, die ansonsten für die Mitteilung von Informationen über die Umschaltung zwischen den verschiedenen Messbereichsabschnitten erforderlich wären. Es ist somit nicht notwendig, dass Messbereichsabschnitts- Informationen zwischen dem Messsensor und dem Steuergerät übertragen werden. Somit ist keine zusätzliche Signalgenerierung oder - Übertragung über zusätzliche Signalleitungen notwendig. Dies macht die Ermittlung des tatsächlichen
Sensorrohsignalverlaufs einfach und effizient, was insbesondere bei der Auswertung von Zylinderdrucksignalen vorteilhaft ist. Weiterhin wird gegenüber dem Fall ohne Messbereichsaufteilung in vorteilhafter Weise nun die Auflösung, mit der das Ausgangssignal des Messsensors erfasst und verarbeitet, sowie damit einhergehend die
Signalgenauigkeit gesteigert werden kann, soweit erhöht, dass insbesondere im wesentlichen die Signalgenauigkeit erreicht wird wie im Fall mit ein oder mehreren zusätzlichen Signalisierungsleitungen zwischen dem Steuergerät und dem Messsensor . Die Erfindung betrifft auch ein Steuergerät mit mindestens einer Berechnungseinheit, die zur Erhöhung der Auflösung von Ausgangssignalen mindestens eines Messsensors für einen Verbrennungsmotor Schritte nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausführt.
Sonstige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.
Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 in schematischer Darstellung ein
Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erhöhung der Auflösung, mit der der tatsächliche Zylinderdruckverlauf in einem Zylinder eines Verbrennungsmotors mittels eines Zylinderdrucksensors erfasst werden kann,
Figur 2 in schematischer Darstellung beispielhaft ein p-V-Diagramm für den Kreisprozess eines 4-Takt- Verbrennungsmotors, und
Figur 3 in schematischer Darstellung einen pegelbegrenzten Signalverlauf des Ausgangssignals des Zylinderdrucksensors von Figur 1 zusammen mit dem nach dem
Ausführungsbeispiel von Figur 1 ermittelten, d.h. rekonstruierten Zylinderdruckverlauf in Abhängigkeit vom Kurbelwellenwinkel des Verbrennungsmotors.
Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren 1 mit 3 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung vorteilhafte Steuerungsschritte der Berechnungseinheit CU eines Motorsteuergeräts ECU für einen Verbrennungsmotor CE, um das Zylinderdrucksignal eines Zylinderdrucksensors DS nach dem erfindungsgemäßen Prinzip mit verbesserter Auflösung, d.h. genauer erfassen zu können. Der Zylinderdrucksensor DS sitzt hierbei insbesondere am Zylinderkopf eines Zylinders CY des Verbrennungsmotors CE. Er weist ein Sensorelement SE auf, das der Detektion des Innendrucks im Brennraum des Zylinders CY dient. Es ist vorzugsweise als Analogbauteil ausgebildet und erzeugt im Schritt S7 ein Sensorrohsignal ZS, das für den jeweilig vorliegenden Druck im Innenraum des Zylinders CY während des zyklischen Verbrennungs-Kreisprozesses des Verbrennungsmotors CE repräsentativ ist. Ihm ist eine Auswerte-/Logikeinheit LE zur Weiterverarbeitung des Sensorrohsignals ZS zugeordnet. Sie ist vorzugsweise Bestandteil des Zylinderdrucksensors DS. Alternativ kann sie ggf. auch als separate Komponente vorgesehen sein. In der Figur 1 ist sie zur besseren Veranschaulichung ihrer Funktionalität als Detail gesondert vom Sensorelement SE des Druckssensors DS dargestellt.
Die Auswerte-/ Logikeinheit LE des Zylinderdrucksensors DS unterteilt das Sensorrohsignal ZS im Prozessschritt S8 zur Erhöhung dessen Auflösung für eine nachfolgende A/D- Wandlung in mindestens zwei Messbereichsabschnitte . Hier im Ausführungsbeispiel von Figur 1 gibt die Auswerte- /Logikeinheit LE insbesondere drei Messbereichsabschnitte A, B, C vor. Diese Messbereichsaufteilung für das Sensorrohsignal ZS dient zur Skalierung dessen Pegels auf einen reduzierten bzw. limitierten Pegelbereich, d.h. es wird eine Pegelbegrenzung vorgenommen. Hier im Ausführungsbeispiel erzeugt das Sensorelement SE des Zylinderdrucksensors DS als Sensorrohsignal ZS ein elektrisches Spannungssignal, dessen Spannungspegelbereich für jeden Messbereichsabschnitt A, B, C beispielsweise auf Spannungswerte zwischen 0 und 5 Volt begrenzt wird. Der Zylinderdrucksensor DS liefert somit ein dem Innendruck des Zylinders CY zugeordnetes, insbesondere im wesentlichen proportionales, elektrisches Signal als Sensorrohsignal ZS, das von der Auswerte-/Logikeinheit LE, insbesondere einer Auswerteelektronik wie zum Beispiel einem Messwandler, in ein Spannungssignal SV umgewandelt und dabei ggf. verstärkt wird. Dieses Spannungssignal SV wird durch Aufteilung in die verschiedenen Messbereichsabschnitte wie z.B. A, B, C skaliert, d.h. sein ursprünglicher Dynamikbereich wird auf einen festgelegten Spannungspegelbereich begrenzt. Jedem Messbereichsabschnitt A, B, C ist dabei bezogen auf einen Referenzwert wie z.B. 0 V ein charakteristischer Skalierungsfaktor oder ein „Offset" zugeordnet, durch den er auf den vorgegeben begrenzten Pegelbereich transferiert werden kann. Auf diese Weise steht am Ausgang des Zylinderdrucksensors DS ein modifiziertes Ausgangssensorssignal BSV im Schritt S9 bereit, das für die verschiedenen vorgegebenen Messbereichsabschnitte A, B, C jeweils auf denselben Ausgangsspannungspegelbereich, hier zwischen OV und 5V, abgebildet worden ist. Im Ausführungsbeispiel von Figur 1 ist beim Schritt S9 ein beispielhafter zeitlicher Verlauf der Ausgangsspannung U des modifizierten Sensorausgangssignal BSV in Abhängigkeit von der Zeit t abgebildet. Jedem Messbereichsabschnitt A, B, C ist derselbe Ausgangsspannungspegelbereich zwischen 0 und 5 V (Volt) zugeordnet. Mit anderen Worten ausgedrückt heißt das, dass die verschiedenen Messbereichsabschnitte A, B, C des ursprünglichen Sensorrohsignal ZS auf ein und denselben vorgegebenen Pegeldynamikbereich für das Sensorausgangssignal SS umgesetzt worden sind. Auf diese Weise weist das Sensorausgangssignal SS im Ist-Pfad IP des Zylinderdrucksensors DS einen Pegeldynamikbereich auf, der gegenüber dem des ursprünglichen Sensorrohsignals ZS reduziert ist.
Dieses Sensorausgangssignal SS wird über eine Messleitung SL an das Motorsteuergerät ECU übertragen. Dort wird es mit
Hilfe eines A/D-Wandlers ADC digitalisiert. Als A/D-Wandler wird hier im Ausführungsbeispiel vorzugsweise ein 8 Bit Wandler verwendet . In analoger Weise kann eine entsprechende
Messbereichsabschnittsaufteilung vorgenommen werden, wenn die Auswerte-/Logikeinheit LE anstelle einer elektrischen Spannung alternativ dazu einen elektrischen Strom als Maß für den vom Sensorelement SE gemessenen Innendruck im Brennraum des Zylinders CY ausgibt.
Damit nun das Motorsteuergerät ECU aus dem zeitlichen Verlauf des empfangenen, pegelbegrenzten Sensorausgangssignals SS den tatsächlichen zeitlichen Verlauf des Sensorrohsignals ZS und damit des tatsächlichen Drucks im Zylinder CY während dessen Verbrennungs-Kreisprozesses rekonstruieren kann, wird vom Motorsteuergerät ECU ein erwarteter zeitlicher Zylinderdruckverlauf EPD im Soll-Pfad SP geschätzt. Dazu wird für den Zylinder CY der momentane Betriebspunkt BP seines
Verbrennungs-Kreisprozesses bestimmt. Dies wird in der Figur 1 im Prozessschritt S3 durchgeführt. Dazu zieht das Motorsteuergerät ECU einen oder mehrere verschiedene Betriebsparameter des Verbrennungsmotors CE heran. Insbesondere legen dabei die Drehzahl N der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors CE sowie der Stellwinkel TPS dessen Drosselklappe den aktuellen Betriebspunkt BP für den zyklischen Verbrennungsprozess fest. Mit anderen Worten ausgedrückt lässt sich aufgrund dieser Betriebsparameter ermitteln, an welchem Arbeitspunkt des p-V (Druck/Volumen) -
Diagramms von Figur 2 sich der Zylinder CY momentan befindet. Weitere zweckmäßige Betriebsparameter des Verbrennungsmotors CE zur Ermittlung des aktuellen Betriebspunkts BP für den Zylinder CY können insbesondere ein oder mehrere Parameter folgender Kenngrößen sein, die den Verbrennungsprozess des Zylinders CY in charakteristischer Weise beeinflussen: Zündwinkelstellung IGA, Einlassnockenwellenstellung CAM_IN, Auslassnockenwellenstellung CAM_EX, Saugrohrdruck MAP, Luftmasse MAF im Saugrohr des Verbrennungsmotors CE, indiziertes Motordrehmoment TQI, Einspritzzeit TI, Startzeitpunkt der jeweiligen Einspritzung SOI, Kühlmitteltemperatur TCO, Ansauglufttemperatur TIA, Lambdawert LAM, Abgasgegendruck P_EX, Ventilhub, Ventilöffnungsdauer, Profil der jeweiligen Ventilöffnung des jeweiligen Ventils am Zylinder CY.
Diese Betriebsparameter stehen im Ausführungsbeispiel von Figur 1 der Berechnungseinheit CU als Eingangssignale Sl zur Verfügung. Zugleich wird entsprechend einem Abfrageschritt S2 noch berücksichtigt, welcher Verbrennungsmodus derzeit vorliegt. So wird hier insbesondere zwischen Fremdzündbetrieb SI („spark ignition ") , Selbstzündungsbetrieb CAI („controlled auto ignition") und Magerbetrieb unterschieden.
Mit Hilfe des aktuell ermittelten Betriebspunkts BP des Verbrennungsmotors CE wird nun im Steuerschritt S4 auf der Basis einer abgespeicherten Kennfeldinformation KI der zeitliche Druckverlauf im jeweiligen Zylinder CY prädiziert. Die Kennfeldinformation KI enthält für eine Vielzahl von verschiedenen Betriebspunkten Kennfelder, die vorzugsweise in Abhängigkeit von der jeweiligen Kurbelwellendrehzahl N und dem jeweiligen Drosselklappenwinkel TPS einen Druckverlauf in Abhängigkeit vom Kurbelwellenwinkel angeben. Dabei lässt sich der Kurbelwellenwinkel auf den zeitlichen Verlauf t des Drucks p im Zylinder CY abbilden. Es ergibt sich somit für den aktuell bestimmten Betriebspunkt BP ein geschätzter Druckverlauf EPD, der den funktionalen Zusammenhang zwischen den Pegelwerten eines erwarteten Innendrucks p im Zylinder CY in Abhängigkeit von der Zeit t wiedergibt. In der Figur 1 ist für den geschätzten Zylinderdruckverlauf EPD in einem p/t (Druck/Zeit ) -Diagramm eine Erwartungskurve schematisch und beispielhaft eingezeichnet. Das prädizierte bzw. geschätzte Zylinderdrucksignal EPD wird hinsichtlich seiner Pegeldynamik durch Schwellen Gl, G2 auf dieselben Pegelmessbereiche A*, B*, C* unterteilt, wie dies unabhängig hiervon, d.h. selbstständig von der Auswerte-/Logikeinheit LE des Zylinderdrucksensors DS hinsichtlich der Messbereichsabschnitte A, B, C durchgeführt wird. Mit anderen Worten ausgedrückt werden für den prädizierten Druckverlauf EPD verschiedene Pegelschwellen Gl, G2 so festgelegt, dass durch sie die drei Pegelbereiche A*, B*, C* voneinander separat gebildet sind. Dies wird im Schritt S5 von Figur 1 durchgeführt. Der Schnittpunkt zwischen der jeweiligen Schwelle und dem prädizierten Druckverlauf EPD für den geschätzten Innendruck p legt nun jeweils eine Zeitspanne fest, die in eindeutiger Weise das Vorhandensein eines bestimmten Messbereichsabschnitts A, B, C in der Logik- /Auswerteeinheit LE des Zylinderdrucksensors DS indiziert. Beispielsweise ist dem niedrigsten Pegelmessbereich A* die Zeitspanne zwischen tO=O sec und dem Zeitpunkt tBl zugeordnet, zu dem die erste Schwelle Gl den ansteigenden Ast der geschätzten Druckverlaufskurve EPD schneidet. Diese Zeitspanne tθ bis tBl kennzeichnet dann das Vorliegen des ersten Messbereichsabschnitts A auf der Sensorseite. Den Pegelwerten des ansteigenden Astes des prädizierten Druckverlaufs EPD im Pegelbereichabschnitt bzw. in der
Pegelmesszone B* ist in eindeutiger Weise die Zeitspanne zwischen den Zeitpunkten tBl und tCl als Gültigkeitszeitdauer zugeordnet. Sie indiziert das Vorliegen des zweiten Messbereichsabschnitts B auf der Sensorseite. Der Zeitpunkt tCl markiert dabei den Schnittpunkt der zweiten, höheren
Schwelle G2 mit der geschätzten Druckverlaufskurve EPD. Der Beginn des Skalierungsbereichs C* ist somit dem Zeitpunkt tCl zugeordnet. Der Pegelbereichsabschnitt C* endet schließlich zum Zeitpunkt tCl*, zu dem die obere Schwelle G2 die absteigende Flanke des geschätzten Druckverlaufssignals EPD schneidet. Die Zeitspanne zwischen den Zeitpunkten tCl und tCl* indiziert das Vorhandensein des dritten
Messbereichsabschnitts C auf der Sensorseite. Diese Zuordnung zwischen den Skalierungszonen A*, B*, C* und den Zeitspannen für ihre Gültigkeitsdauern gilt in entsprechender Weise für die absteigende Flanke des prädizierten Zylinderdrucksignals EPD. So legt der Zeitpunkt tCl* den Beginn der zweiten Skalierungszone B* fest. Der Zeitpunkt tBl* charakterisiert den Wechsel von der Skalierungszone B* zur Skalierungszone A*. Im Einzelnen repräsentiert hier im Ausführungsbeispiel die Skalierungszone A* die niedrigsten Pegelwerte p des prädizierten Druckverlaufs EPD zwischen 0 und 3 bar. Die zweite Skalierungszone B* charakterisiert mittlere Pegelwerte p des präzidierten Druckverlaufs EPD zwischen 3 und 20 bar. Die dritte Skalierungszone C* steht für die höchsten Pegelwerte p des prädizierten Zylinderdruckverlaufs EPD oberhalb von 20 bar.
Indem der prädizierte Zylinderdruckverlauf EPD im Steuergerät CU durch dieselben Pegelschwellen Gl, G2 wie auf der Sensorseite in Pegelmessbereiche bzw. Skalierungszonen A*, B*, C* unterteilt wird und diesen Skalierungszonen A*, B*, C * Gültigkeits-Zeitdauern oder korrespondierend hierzu Kurbelwinkelbereiche zugeordnet werden, ist es nun ermöglicht, für das jeweilige durch Pegelreduktion modifizierte Ausgangssignal SS des Zylinderdrucksensors DS dessen zugehörige, aktive Skalierungszone A, B, C im Steuergerät CU zu identifizieren. Dadurch ist es ermöglicht, aus den Pegelwerten U des gemessenen, pegelbegrenzten Sensorausgangssignals SS durch die richtige zeitliche Zuordnung desjenigen Messbereichabschnitts bzw. derjenigen Skalierungszone A, B, C, mit der das Sensorrohsignal ZS ursprünglich sensorseitig im Ist-Pfad IP pegelreduziert worden ist, durch Inversion der jeweiligen Skalierung den tatsächlichen Pegelwert p* für den Zylinderinnendruck zurückzugewinnen. Dies wird in der Figur 1 im Schritt S6 durchgeführt und anhand eines p*/t (Duck/Zeit )- Diagramms im Schritt SlO veranschaulicht.
Hier im Ausführungsbeispiel ist der Zeitspanne zwischen dem Zeitpunkt tθ und dem Zeitpunkt tBl die Skalierungszone A zugeordnet. Dies bedeutet, dass während dieser Zeitspanne vom Zylinderdrucksensor DS ein Ausgangssignal SS geliefert wird, dass mit dem Skalierungsfaktor, insbesondere „Offset", dieser Pegelzone A beaufschlagt ist. Durch diesen Zusammenhang ist es möglich, die ursprüngliche Skalierung, die die Auswerte- /Logikeinheit LE des Zylinderdrucksensors DS durchgeführt hat, wieder umzukehren bzw. zu invertieren und aus den
Spannungswerten U, die sich im Zeitraum zwischen tθ und tBl für das Sensorausgangssignal SS ergeben, Spannungswerte des ursprünglichen Sensorrohsignal ZS zu rekonstruieren bzw. regenerieren. Diesen sind dann korrespondierend dazu entsprechende Innendruckwerte p* im Brennraum des Zylinders CY zugeordnet. In entsprechender Weise legt die Zeitspanne zwischen den Zeitpunkten tBl und tCl die Gültigkeitsdauer, d.h. das Vorhandensein von Spannungspegelwerten im pegelreduzierten Sensorausgangssignal SS fest, die mit dem Skalierungsfaktor der zweiten Skalierungszone B modifiziert worden sind. Es lässt sich in entsprechender Weise die durchgeführten Skalierung herausrechnen, d.h. die Pegelwerte p* des ursprünglichen Sensorrohsignals ZS lassen sich zurückgewinnen, indem der Offset des Messbereichsabschnitts B, den dieser gegenüber dem ersten Messbereichsabschnitt A hat, zu den Spannungswerten U des Ausgangssignals SS hinzuaddiert wird. Diese zurückgewonnenen bzw. rekonstruierten Spannungspegelwerte korrespondieren mit Innendruck-Pegelwerten p* im Zylinder CY. Die Zeitspanne zwischen den Zeitpunkten tCl und tCl* definiert schließlich die Gültigkeitsdauer für die Skalierungszone C. Eine Rückgewinnung der während dieser Zeitspanne ausgegebenen Spannungswerte U des Sensorausgangssignals SS ist dann durch Invertierung des Skalierungsfaktors für die Skalierungszone C ermöglicht, so dass ebenfalls die tatsächlichen Druckwerte p* aus den übermittelten Ausgangssignalwerten des pegelbegrenzten Ausgangssignals SS zurückgewonnen werden können. Insbesondere wird dazu der „Offset" des dritten
Messbereichsabschnitts C, den dieser gegenüber dem ersten Messbereichsabschnitt A hat, zu den Spannungswerten U des Ausgangssignals SS hinzuaddiert.
Wird im Schritt S6 festgestellt, dass der Anfangszeitpunkt oder der Endzeitpunkt der jeweiligen Skalierungszone A, B, C des ausgegebenen Sensorsignals SS von denen der Pegelbereichsabschnitte A*, B*, C* des prädizierten Erwartungsdruckverlaufs EPD abweichen, d.h. ihre Gültigkeitszeitdauern voneinander verschieden sind, so kann diese Information zur Adaption der Kennfeldinformation KI herangezogen werden. Dies wird in der Figur 1 im Schritt Sil durchgeführt. Beispielsweise kann der Beginn der Skalierungszone B des pegelbegrenzten Ausgangssignals SS zum Zeitpunkt tBl** vom geschätzten Beginn tBl der Skalierungszone B* des prädizierten Druckverlaufs EPD verschieden sein. Entsprechend kann sich eine Abweichung zwischen dem Startzeitpunkt tCl** für den dritten
Messbereichsabschnitt C beim gemessenen, pegelbegrenzten Sensorausgangssignal SS und dem geschätzten Startzeitpunkt tCl beim prädizierten Druckverlauf EPD ergeben. Diese Differenz- bzw. Abweichungsinformation wird dann im Schritt Sil dazu benutzt, die Kennfeldinformation KI zu korrigieren, um für die nächste Betriebspunktermittlung einen zugehörigen erwarteten Druckverlauf weitgehend fehlerkorrigiert ermitteln zu können.
Die Figur 3 zeigt in vergrößerter Darstellung den Spannungspegelverlauf U des Ausgangssignals SS in Abhängigkeit vom Kurbelwellenwinkel KW. Dieser korrespondiert mit der Zeit t. Für die Pegelwerte U ist ein Pegelbegrenzungsbereich ASB zwischen 0 und 5 Volt vorgegeben. Dazu ist das ursprüngliche Sensorrohsignal ZS in der Logik- /Auswerteeinheit LE in die verschiedenen
Messbereichsabschnitte A, B, C aufgeteilt und von seinen Pegelwerten jeweils ein spezifischer „Offset", der jeden Messbereichsabschnitt A, B, C in den gewünschten Pegelbegrenzungsbereich ASB transferiert, abgezogen worden. Im unteren Teil der Figur 3 ist dem Pegelverlauf des pegelbegrenzten Ausgangssignals SS in Abhängigkeit vom Kurbelwellenwinkel KW der derart rekonstruierte Druckverlauf PD in einem Druck/Kurbelwellenwinkel (p*/KW)- Diagramm zugeordnet.
Alternativ kann es ggf. vorteilhaft sein, den erwarteten Zylinderdruckverlauf für den jeweilig aktuellen Betriebspunkt ohne Kennfeldinformation direkt zu berechnen. Dazu kann es beispielsweise zweckmäßig sein, den erwarteten zeitlichen
Druckverlauf unter Zugrundlegung einer polytropen Kompression bzw. Expansion, mit p x Vn = konstant, wobei n ein sogenannter Polytropenexponenten ist, abschnittsweise zu berechnen. Dazu ist insbesondere in der älteren Patentanmeldung DE 10 2005 009 104.0 ein vorteilhaftes Berechnungsverfahren angegeben.
Zusammenfassend betrachtet ist es auf diese Weise zur Erhöhung der Sensorsignalauflösung und damit Sensorsignalgenauigkeit nicht erforderlich, zusätzliche Steuerleitungen zwischen dem Zylinderdrucksensor und dem Motorsteuergerät vorzusehen, was ansonsten einen unerwünschten Aufwand an Steuerinformations-Generierung, - Übertragung und -Verarbeitung nach sich ziehen würde. Anstelle dessen wird der Sensormessbereich des Zylinderdrucksensors in mindestens zwei geeignete Einzelbereiche wie zum Beispiel einen Hochdruck- und einen Niederdruckbereich aufgeteilt. Die Umschaltung von einem zum anderen Messbereich erfolgt im Zylinderdrucksensor selbst und zwar immer dann, wenn eine Messbereichsgrenze erreicht bzw. über- oder unterschritten wird. Beim Ausführungsbeispiel von Figur 1 erfolgt beispielsweise eine Messbereichsumschaltung von der Skalierungszone A auf die Skalierungszone B bei 3 bar. Der Wechsel von der Skalierungszone B auf die Skalierungszone C wird durch das Überschreiten einer Schwelle bei 20 bar ausgelöst.
Weiterhin kann es vorteilhaft sein, beim Umschalten von einem Skalierungsbereich auf einen benachbarten Skalierungsbereich eine bestimmte Hysterese vorzusehen, um ein Jittern zwischen diesen beiden Messbereichen zu verhindern, wenn der aktuelle Messwert des Ausgangssignals des Zylinderdrucksensors auf der Grenze bzw. bei der Schwelle zwischen diesen beiden
Messbereichen liegt. Beispielsweise kann als Hysterese bzw. Toleranzpegel ein Pegelwert von 0,2 bar vorgesehen sein. Das bedeutet bezogen auf das obige Beispiel, dass bei steigendem Druck die Umschaltung vom kleinsten Messbereich A zum nächst höheren Messbereich B bei ca. 3,2 bar, das Zurückschalten vom mittleren, zweiten Messbereich B zum kleinsten, ersten Messbereich A bei fallendem Signalpegel des Ausgangssignals SS aber erst bei 2,8 bar erfolgt. Die einzelnen Messbereiche und ihre jeweiligen Verstärkungsfaktoren und/oder Offsets (oder auch komplette Sensorkennlinien) sind in der Motorsteuerung (ECU) vorzugsweise in einem nichtflüchtigen Speicher abgelegt. Welcher Messbereich gerade aktiv ist, entscheidet die Motorsteuerung in vorteilhafter Weise aufgrund einer bestimmten Druckverlaufserwartungshaltung. Abhängig vom Motorbetriebspunkt, der z.B. durch die aktuelle Drehzahl der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors und der wirkenden Last, insbesondere der Stellung der Drosselklappe im Saugrohr des Verbrennungsmotors gegeben ist, und/oder von weiteren Betriebsparametern wie zum Beispiel Einspritztiming, Zündwinkel, Motorbetriebstemperatur etc. ergibt sich ein typischer Zylinderdruckverlauf. Dieser Druckverlauf wird in der Motorsteuerung z.B. als Kennfeld über dem Kurbelwellenwinkel abgelegt. Es ist aber auch ggf. zweckmäßig, dass der geschätzte Druckverlauf durch ein einfaches Berechungsverfahren z.B. unter Zugrundlegung einer polytropen Kompression bzw. Expansion, bei der p x Vn =konstant gilt, wobei n ein Polytropenexponent ist, abschnittsweise berechnet wird. Selbstverständlich kann es in der Praxis von Zyklus zu Zyklus des Verbrennungsprozesses zu Abweichungen kommen. Daher ist es zweckmäßig, die einzelnen Messbereiche wie zum Beispiel A, B, C so zu definieren, dass die zu erwartenden Druckschwankungen innerhalb des jeweiligen Messbereichs liegen. Die Motorsteuerung wählt dann entsprechend ihrer Erwartung den jeweiligen Messbereich aus, erhält bei einem linearen Signalverlauf Informationen über Offset und/oder Verstärkung und kann dem jeweiligen
Sensorwert, der vom Zylinderdrucksensor ausgegeben wird, einen pegelbegrenzten Druckwert zuordnen. Als Sensorwert kann beispielsweise eine Spannung, ein elektrischer Strom, etc. dienen. In einer besonders einfachen, zweckmäßigen Ausführungsvariante bei einem 4-Taktverfahren eines
Verbrennungsmotors werden die 720° Kurbelwellenwinkel in 2 x 360° Kurbelwellenwinkel unterteilt. Dabei ist der Niederdruckbereich dem ersten 360° Kurbelwellenwinkelbereich und der Hochdruckbereich dem zweiten 360° Kurbelwellenwinkelbereich zugeordnet. Abhängig von der Kurbelwellenposition wird dann der entsprechende Messbereich angewählt .
Selbstverständlich lässt sich das Verfahren in vorteilhafter Weise auch auf andere Sensorsignale als Zylinderdrucksignale übertragen, falls ein ausreichend gut prädizierbarer Signalverlauf vorliegt.
Beim erfindungsgemäßen Vorgehen zur Erhöhung der Auflösung der Sensorsignale ergibt sich in vorteilhafter Weise eine deutlich effektivere Nutzung und Erhöhung der Genauigkeit des Sensoranalogsignals. Der Signal-Rauschabstand und die Auflösung werden deutlich verbessert, so dass es erst dadurch ermöglicht ist, auch physikalisch kleine Messbereiche genau oder überhaupt erst zu erfassen. Zudem stellt das erfindungsgemäße Verfahren eine kostengünstige Lösung dar, da es nicht erforderlich ist, Informationen zwischen dem Sensor und dem Motorsteuergerät zu übertragen, wodurch keine zusätzliche Signalgenerierung oder Übertragung erforderlich wird. Alle nötigen Informationen liegen in der Motorsteuerung bereits vor. Besonders vorteilhaft ist das Verfahren dann, wenn das Sensorsignal zur Regelung des Verbrennungsprozesses herangezogen wird. Das sogenannte CAI („controlled auto ignition") -Verfahren wird dadurch besser beherrschbar, da ein höher aufgelöstes Zylinderdrucksignal vorliegt, das als Basisgröße für eine Verbrennungsprozessregelung Eingang findet. Denn hier gilt es, sowohl den Niederdruck- als den Hochdruckbereich möglichst genau zu erfassen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Erhöhung der Auflösung von Ausgangssignalen (SS) mindestens eines Messsensors (DS) für einen Verbrennungsmotor (CE) , indem der Arbeitspegelbereich (PZ) des Messsensors (DS), innerhalb dem die Pegelwerte dessen Sensorrohsignals (ZS) liegen, in mindestens zwei Messbereichsabschnitte (A, B) unterteilt wird, indem jedem Messbereichsabschnitt (A, B) derselbe vorgegebene, gegenüber dem Arbeitspegelbereich (PZ) begrenzte Ausgangspegelbereich (ASB) des Ausgangssignals (SS) des Messsensors (DS) zugeordnet wird, und wobei die Umschaltung von einem zum anderen Messbereichsabschnitt (A, B) selbstständig vom Messsensor (DS) durchgeführt wird, wenn eine Messbereichsgrenze (Gl) zwischen je zwei benachbarten Messbereichsabschnitten (A, B) erreicht oder über- oder unterschritten wird, indem mittels einer Motorsteuerung (ECU) der Betriebspunkt (BP) des Verbrennungsmotors (CE) aufgrund von mindestens einem Betriebsparameter (N, TPS) für dessen Verbrennungsprozess ermittelt wird, indem aus mindestens einer Kennfeldinformation (KI) für den aktuell ermittelten Betriebspunkt (BP) der zeitliche Verlauf (EPD) des Sensorrohsignals des Messsensors (DS) prädiziert wird, und indem von der Motorsteuerung (ECU) aufgrund dieses prädizierten zeitlichen Sensorrohsignalverlaufs (EPD) ermittelt wird, welcher Messbereichsabschnitt (A, B) des Messsensors (DS) aktuell aktiviert ist.
2 . Verfahren nach Anspruch 1 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als Messsensor ein Zylinderdrucksensor (DS) verwendet wird, der an mindestens einem Zylinder (CY) des Verbrennungsmotors (CE) angebracht ist, und dass vom Zylinderdrucksensor (DS) als Sensorrohsignal (ZS) ein Spannungssignal erzeugt wird, durch das der Innendruck im Zylinder (CY) repräsentiert wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der prädizierte Sensorrohsignalverlauf (EPD) in der
Motorsteuerung (ECU) als Kennfeld vorab abgelegt worden ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der prädizierte Sensorrohsignalverlauf (EPD) in der Motorsteuerung (ECU) berechnet wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Umschaltung von einem Messbereichsabschnitt (A) zu einem anderen Messbereichsabschnitt (B) Hysterese - behaftet durchgeführt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass in der Motorsteuerung (ECU) für den prädizierten Sensorrohsignalverlauf (EPD) eine Unterteilung in mindestens zwei Pegelbereichsabschnitte (A*, B*) vorgenommen wird, die im Wesentlichen mit der Unterteilung der Messbereichsabschnitte (A, B) des Messsensors (DS) übereinstimmt .
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass aufgrund der Zeitspannen (t0-tBl, tBl-tCl, tCl-tCl*), die den Pegelbereichsabschnitten (A*, B*, C*) im prädizierten Sensorrohsignalverlauf (EPD) als Gültigkeitszeitdauern zugeordnet werden, geschätzt wird, wann welcher Messbereichsabschnitt (A, B, C) des Messsensors (DS) aktiv geschaltet ist, und dass aus dem pegelbegrenzten Ausgangssignal (SS) des Messsensors (DS) und dieser abgeschätzten zeitlichen Zuordnung des zugehörigen, aktiven Messbereichsabschnitts (A, B, C) der tatsächliche Signalpegelverlauf (PD) des Sensorrohsignals (ZS) rekonstruiert wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass mittels des Unterschieds zwischen der Gültigkeitsdauer des jeweiligen Pegelbereichsabschnitts (A*, B*, C*) des prädizierten Sensorrohsignalverlaufs (EPD) und der Gültigkeitsdauer des pegelbegrenzten Ausgangssignals (SS) des Messsensors (DS) die Prädiktion des Sensorrohsignalverlaufs (EPD) für die nächste Abschätzung adaptiv korrigiert wird.
9. Steuergerät (ECU) mit mindestens einer Berechnungseinheit (CU) , die zur Erhöhung der Auflösung von Ausgangssignalen (SS) mindestens eines Messsensors (DS) für einen Verbrennungsmotor (CE) Schritte nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausführt.
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