EP4497929A1 - Verfahren zum betreiben einer brennkraftmaschine - Google Patents

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EP4497929A1
EP4497929A1 EP24163402.1A EP24163402A EP4497929A1 EP 4497929 A1 EP4497929 A1 EP 4497929A1 EP 24163402 A EP24163402 A EP 24163402A EP 4497929 A1 EP4497929 A1 EP 4497929A1
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EP
European Patent Office
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cylinder pressure
internal combustion
combustion engine
signal
pressure signal
Prior art date
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Pending
Application number
EP24163402.1A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Johannes Huber
André MÉRIC
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Innio Jenbacher GmbH and Co OG
Original Assignee
Innio Jenbacher GmbH and Co OG
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Publication date
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    • F02D2200/1015—Engines misfires

Definitions

  • the present invention relates to a method for operating an internal combustion engine, an internal combustion engine having the features of the preamble of claim 12 as well as a computer program product and a computer-readable storage medium.
  • the prevailing cylinder pressure of at least one combustion chamber of the internal combustion engine is usually used as such a parameter, whereby the pressure as well as the time of the prevailing pressure can provide a high level of information about the combustion process and can be used to intervene in the combustion process in order to avoid deviations and/or to optimize the combustion process.
  • the corresponding sensors available on the market have a fairly wide range in terms of quality, resilience and the quality of the sensor signal This quality range is based on the manufacturing effort and material requirements and is reflected in the prices.
  • cylinder pressure sensors represent a certain weak point in the control chain of an internal combustion engine, since cylinder pressure sensors - regardless of quality or price - show damage after a certain number of operating hours and their representative sensor signal deteriorates. In the case of poorer quality (and usually cheaper) sensors, such deterioration usually occurs earlier.
  • This change in the sensor signal is due to the fact that cylinder pressure sensors are exposed to the combustion process of the internal combustion engine, which leads to enormous thermal as well as mechanical stress, thereby causing material fatigue and/or failure of the cylinder pressure sensor after a certain number of operating hours.
  • knock sensors in internal combustion engines, which measure the structure-borne noise of the internal combustion engine and provide a corresponding, representative knock signal. These knock sensors or their knock signal are usually used to monitor the combustion process to determine whether misfires or knocking of the internal combustion engine occur.
  • the object of the present invention is to provide a method for operating an internal combustion engine, as well as an internal combustion engine, in which the aforementioned problems of the prior art can be at least partially improved and/or a reliable and meaningful possibility is created to provide information about the prevailing cylinder pressure in an internal combustion engine during operation and/or to implement an economical as well as ecological variant for determining a cylinder pressure with the necessary accuracy.
  • a cylinder pressure sensor which provides a more accurate, representative signal for the cylinder pressure prevailing in the combustion chamber, whereby even sensor models of less than high quality can be used, since in a sense a fail-safe is provided via the knock sensor and the knock signal.
  • the cylinder pressure signal of the cylinder pressure sensor is continuously checked for its plausibility by the plausibility check and, if the cylinder pressure signal of the cylinder pressure sensor is no longer plausible, the estimated cylinder pressure is used - as a kind of failure protection for the cylinder pressure - in order to be able to ensure the continued operation of the internal combustion engine.
  • the model which describes a relationship between the knock signal and the prevailing cylinder pressure in the combustion chamber can be continuously adapted during operation, so that aging or other changes in operating parameters have no effect on the accuracy of the estimated cylinder pressure with regard to the actual cylinder pressure prevailing in the combustion chamber.
  • the two aspects of the present invention are combined with one another, wherein during ongoing operation the model which describes the relationship between knock signal and estimated cylinder pressure is continuously adapted and if a cylinder pressure signal measured by the cylinder pressure sensor no longer appears plausible, the further operation of the internal combustion engine can be continued by taking the estimated cylinder pressure into account.
  • the inherently counter-intuitive measure of using a cylinder pressure sensor and a knock sensor can also be used to take advantage of the fact that the knock signals can be calibrated for a very long time and in such a way that a high-quality cylinder pressure signal is available via the knock sensor even after a failure of the cylinder pressure sensor.
  • Internal combustion engines can be understood as thermal working machines in which thermal energy released by combustion is converted into mechanical work, such as in Otto engines, diesel engines, gas turbines, boilers or similar.
  • the invention has proven to be particularly suitable for use in stationary internal combustion engines - preferably gas-powered reciprocating piston engines. Marine applications are also conceivable.
  • Internal combustion engines can be used to drive generators to generate electricity.
  • Such units with a generator driven by an internal combustion engine are often referred to as gensets.
  • An internal combustion engine according to the invention or a method according to the invention can be used in existing systems of the prior art, as described for example in the introduction to the description, and can be installed subsequently.
  • the model is adapted on the basis of the cylinder pressure signal such that the estimated cylinder pressure approaches the cylinder pressure signal and/or the cylinder pressure prevailing in at least one combustion chamber.
  • the cylinder pressure signal of the cylinder pressure sensor is used for the operation of the internal combustion engine.
  • the method is carried out in a time-resolved and/or crank angle-resolved manner - preferably in real time - during operation of the internal combustion engine.
  • the procedure is carried out based on the engine cycle or at a specific point in time during the cycle (for example, the procedure is carried out when the data is available).
  • the estimated cylinder pressure and/or the cylinder pressure signal of the cylinder pressure sensor is used for controlling or regulating the internal combustion engine - particularly preferably for approximating a desired drive power, energy requirement or emission of the internal combustion engine.
  • the plausibility of the cylinder pressure signal is determined with the aid of at least one further determined operating parameter of the internal combustion engine.
  • the further determined operating parameter is transmitted as a measured sensor signal by at least one sensor and/or by an engine control of the internal combustion engine.
  • the cylinder pressure signal is plausible according to a plausibility check if the cylinder pressure signal satisfies a predefined relationship between a cylinder pressure signal and the further determined operating parameters, wherein particularly preferably the relationship defines a value range for the cylinder pressure signal.
  • the value range can correspond to a defined cylinder pressure signal for a specific operating parameter +/- a tolerance range.
  • This tolerance range can preferably tolerate measurement inaccuracy, combustion indifference or other assumed and expected value deviations which concern an acceptable fluctuation.
  • the plausibility of the cylinder pressure signal is determined without the aid of another operating parameter of the internal combustion engine.
  • the plausibility of the cylinder pressure signal can be determined by comparing it with a predefined maximum, minimum and/or value range.
  • a general plausibility check is also conceivable, whereby, for example, negative values or unexpected values in certain areas of the combustion cycle are considered non-plausible.
  • the cylinder pressure signal and/or the estimated cylinder pressure is used to control or regulate a manipulated variable of the internal combustion engine, preferably an ignition timing, a boost pressure, a supplied fuel quantity, a supplied charge air quantity and/or an exhaust gas recirculation rate.
  • FIG. 1 a schematic flow diagram of a method according to the invention for operating an internal combustion engine.
  • the internal combustion engine comprises a knock sensor 2, by which a knock signal 1 can be detected, and a cylinder pressure sensor 4, by which a cylinder pressure signal 3 can be detected.
  • the cylinder pressure signal 3 of the cylinder pressure sensor 4 is representative of a cylinder pressure prevailing in at least one combustion chamber of the internal combustion engine.
  • the knock sensor 1 can be arranged on the internal combustion engine corresponding to the same combustion chamber as the cylinder pressure sensor 4 (for example on a cylinder head of the respective combustion chamber) or globally collect a knock signal 1 for the entire internal combustion engine.
  • the knock signal 1 of the knock sensor 2 is fed to a signal filter 10, which filters the knock signal 1 of the knock sensor 2 accordingly and prepares it for further processing, whereby disturbances are filtered out and the sensor signal is cleaned accordingly. and the sensor signal is converted into a preferred signal size if necessary.
  • the processed knock signal 1 is then passed on to the model 5, which model 5 reflects a relationship between the processed knock signal 1 and an estimated cylinder pressure 6, whereby the filtered knock signal 1 is converted into an estimated cylinder pressure 6.
  • the model 5 can take into account further operating parameters 9 of the internal combustion engine, whereby, for example, the knock signal 1 is further processed into an estimated cylinder pressure 6 with crank angle resolution.
  • further operating parameters 9 of the internal combustion engine can be a crank angle ⁇ , a boost pressure P 2 ', a charge air temperature T 2 ' or an ignition timing ITP.
  • the cylinder pressure signal 3 is passed to a plausibility check 7, wherein the cylinder pressure signal 3 is subjected to a plausibility check 7 with the aid of further operating parameters 9.
  • the plausibility check 7 comprises a query in this embodiment, wherein a defined range of values is represented with regard to the further operating parameters 9, wherein - if the cylinder pressure signal 3 corresponds to this defined range of values - the cylinder pressure signal 3 is classified as plausible and the plausibility check 7 sets the switch in such a way that the cylinder pressure signal 3 is forwarded to the control or regulating device 8 of the internal combustion engine.
  • the switch is switched and the estimated cylinder pressure 6 is passed on to the control or regulating device 8 of the internal combustion engine instead of the cylinder pressure signal 3, wherein the further control or regulation of the internal combustion engine takes place on the basis of the estimated cylinder pressure 6 instead of the cylinder pressure signal 3.
  • a defect in the cylinder pressure sensor 4 can be detected and corrected in good time so that faulty cylinder pressure signals 3 are not used for control or regulation by the control or regulation device 8 of the internal combustion engine, which could possibly lead to faulty control or regulation of the internal combustion engine.
  • the model adaptation 11 is further activated by the plausibility check 7.
  • a difference between the estimated cylinder pressure 6 and the cylinder pressure signal 3 is fed to this model adaptation 11 and, on the basis of this difference, the model 5 is adapted by the model adaptation 11 in such a way that the estimated cylinder pressure 6 is approximated to the cylinder pressure signal 3.
  • model 5 By means of a corresponding, continuous adaptation of model 5 - provided that cylinder pressure signal 3 appears plausible - a change in the operating conditions, wear and/or aging of the internal combustion engine can be incorporated into the model and it can be ensured that model 5 continues to provide a precise connection between knock signal 1 and cylinder pressure.
  • a further plausibility query 12 is carried out, which carries out an additional plausibility check taking into account further operating parameters 9 of the internal combustion engine in order to ensure that the cylinder pressure signal 3 or the estimated cylinder pressure 6 fed to the control or regulating device 8 also corresponds to an actual value of the pressure in the combustion chamber.
  • the control or regulating device 8 of the internal combustion engine can then carry out a corresponding control or regulation of the internal combustion engine on the basis of the characteristic signal for the pressure in the combustion chamber by outputting the manipulated variables 13, whereby, for example, a fuel mass m G , an ignition timing ITP, an ignition misfire or other changes to manipulated variables of the internal combustion engine can be carried out.
  • Fig. 1 The method shown is to be understood purely as an example, whereby it should be noted that these method steps can be integrated into the control or regulating device 8 of the internal combustion engine, for example by means of corresponding software modules.
  • This control or regulating device 8 of the internal combustion engine can, for example, be implemented as a central machine control of the internal combustion engine.
  • Fig. 1 The procedure described can be carried out individually for each combustion chamber of the internal combustion engine or globally across the entire internal combustion engine.

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Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, wobei
- ein Klopfsignal (1) eines Klopfsensors (2) erhoben wird,
- ein Zylinderdrucksignal (3) eines Zylinderdrucksensors (4) erhoben wird, welches Zylinderdrucksignal (3) für einen in zumindest einem Brennraum der Brennkraftmaschine herrschenden Zylinderdruck repräsentativ ist,
- auf Basis eines Modells (5) ein geschätzter Zylinderdruck (6) aus einem Klopfsignal (1) ermittelt wird,
- das Zylinderdrucksignal (3) einer Plausibilitätsprüfung (7) unterzogen wird, und
- falls das Zylinderdrucksignal (3) gemäß der Plausibilitätsprüfung (7) nicht plausibel ist, den geschätzten Zylinderdruck (6) für den Betrieb der Brennkraftmaschine zu verwenden.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 12 sowie ein Computerprogrammprodukt und ein computerlesbares Speichermedium.
  • Zum Betreiben einer Brennkraftmaschine ist es aus dem Stand der Technik bekannt, aus dem laufenden Prozess der Verbrennung Parameter zu entnehmen, um Aufschluss über den aktuell vorliegenden Verbrennungsprozess erlangen zu können.
  • Als solcher Parameter wird zumeist der herrschende Zylinderdruck wenigstens eines Brennraumes der Brennkraftmaschine verwendet, wobei über den Druck als auch den Zeitpunkt des herrschenden Druckes ein hoher Aufschluss über den Verbrennungsprozess erlangt werden kann und darüber in den Verbrennungsprozess eingegriffen werden kann, um Abweichungen zu vermeiden und/oder den Verbrennungsprozess zu optimieren.
  • Dabei ist es bekannt, den Zylinderdruck über Zylinderdrucksensoren zu entnehmen, welche in den Brennraum der Brennkraftmaschine ragen und dazu ausgebildet sind, ein charakteristisches Signal für den im Brennraum herrschenden Zylinderdruck bereitzustellen.
  • Entsprechende Sensoren, welche am Markt verfügbar sind, weisen eine recht breite Spanne auf, was die Qualität, die Widerstandsfähigkeit sowie die Qualität des Sensorsignales betreffen, wobei sich diese Qualitätsspanne hinsichtlich des Fertigungsaufwandes und den Materialbedarf begründet und sich in den Preisen widerspiegelt.
  • Nachteilig an Zylinderdrucksensoren ist jedoch, dass sie eine gewisse Schwachstelle in der Regelungskette einer Brennkraftmaschine darstellen, da entsprechende Zylinderdrucksensoren - unabhängig von der Qualität oder dem Preis - nach einer bestimmten Betriebsstundenzahl Beschädigungen aufweisen und sich ihr repräsentatives Sensorsignal verschlechtert. Bei qualitativ schlechteren (und preislich meist günstigeren) tritt eine solche Verschlechterung meist schon früher ein.
  • Diese Veränderung des Sensorsignals ist der Tatsache zu schulden, dass Zylinderdrucksensoren dem Verbrennungsprozess der Brennkraftmaschine ausgesetzt sind, was zu enormen thermischen als auch mechanischen Belastungen führt, wodurch es zur Materialermüdung und/oder dem Gebrechen des Zylinderdrucksensors nach einer bestimmten Betriebsstundenzahl führt.
  • Weiters ist es aus dem Stand der Technik bekannt, Klopfsensoren bei Brennkraftmaschinen einzusetzen, welche den Körperschall der Brennkraftmaschine messen und ein entsprechendes, repräsentatives Klopfsignal liefern. Zumeist werden diese Klopfsensoren oder ihr Klopfsignal dazu verwendet, den Verbrennungsprozess dahingehend zu überwachen, ob es zu Fehlzündungen oder ein Klopfen der Brennkraftmaschine kommt.
  • Jedoch ist es auch aus dem Stand der Technik bekannt, über das Klopfsignal den Zylinderdruck zu bestimmen, da sich die Klopfsensoren im Laufe der Entwicklung mit ihrer Präzision und Genauigkeit dahingehend entwickelt haben, dass über den Körperschall und die Schwingung der Brennkraftmaschine auf einzelne Betriebsparameter, wie beispielsweise das Zünden im Brennraum, rückgeschlossen werden kann und somit auch der Zylinderdruck im Brennraum über das Sensorsignal des Klopfsensors berechnet werden kann, wodurch sogar gänzlich auf einen Zylinderdrucksensor verzichtet werden kann, um eine Steuerung oder Regelung der Brennkraftmaschine durchzuführen.
  • Nachteilig daran hat sich jedoch herausgestellt, dass eine entsprechende Bestimmung des Zylinderdrucks über das Klopfsignal nicht nur Baugruppenindividuell, sondern sogar individuell für jede Brennkraftmaschine selbst ist, wodurch eine gewisse Anpassung eines Modells, um über das Klopfsignal zu einem Zylinderdruck zu gelangen, durchzuführen ist.
  • Jedoch hat sich weiters herausgestellt, dass sich die Berechnung des Zylinderdrucks über das Klopfsignal auch mit der Betriebsbedingung (beispielsweise einer Schwankung einer Brennstoffqualität) und/oder einer Alterung der Brennkraftmaschine verändert, wodurch es nur mit sehr hohem Anpassungsaufwand und entsprechender Kalibrierungsarbeit möglich ist, während des laufenden Betriebs der Brennkraftmaschine kontinuierlich eine zuverlässige Aussage über den Zylinderdruck über das Klopfsignal bereitstellen zu können.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, sowie eine Brennkraftmaschine bereitzustellen, bei welcher die zuvor genannten Problematiken des Standes der Technik zumindest teilweise verbessert werden können und/oder eine zuverlässige und aussagekräftige Möglichkeit geschaffen wird, Aufschluss über den herrschenden Zylinderdruck in einer Brennkraftmaschine während des laufenden Betriebs zu geben und/oder eine ökonomische als auch ökologische Variante zur Ermittlung eines Zylinderdrucks mit dennoch nötiger Genauigkeit umzusetzen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und des Anspruchs 11, einer Brennkraftmaschine - vorzugsweise einem Hubkolbenmotor - mit den Merkmalen des Anspruchs 12, einem Computerprogrammprodukt mit den Merkmalen des Anspruchs 13, sowie einem computerlesbaren Speichermedium gelöst.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist es vorgesehen, dass ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine - insbesondere eines Hubkolbenmotors - folgende Schritte umfasst:
    • Erheben eines Klopfsignals eines Klopfsensors,
    • Erheben eines Zylinderdrucksignals eines Zylinderdrucksensors, welches Zylinderdrucksignal für einen im zumindest einen Brennraum der Brennkraftmaschine herrschenden Zylinderdrucks repräsentativ ist,
    • Ermittlung eines auf Basis eines Modells geschätzten Zylinderdrucks aus dem Klopfsignal,
    • Unterziehen einer Plausibilitätsprüfung des Zylinderdrucksignals, und
    • falls das Zylinderdrucksignal gemäß der Plausibilitätsprüfung nicht plausibel ist, den geschätzten Zylinderdruck für den Betrieb der Brennkraftmaschine zu verwenden.
  • Gemäß diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es möglich, einen Zylinderdrucksensor einzusetzen, welcher ein genaueres, repräsentatives Signal für den im Brennraum herrschenden Zylinderdruck liefert, wobei auch qualitativ nicht ganz hochwertige Sensormodelle zum Einsatz kommen können, da in gewissem Sinne eine Ausfallsicherung über den Klopfsensor und das Klopfsignal bereitgestellt wird.
  • So wird das Zylinderdrucksignal des Zylinderdrucksensors kontinuierlich auf seine Plausibilität durch die Plausibilitätsprüfung überprüft und, wenn das Zylinderdrucksignal des Zylinderdrucksensors nicht mehr plausibel ist, der - sozusagen als Ausfallschutz für den Zylinderdruck - geschätzte Zylinderdruck verwendet, um den weiteren Betrieb der Brennkraftmaschine gewährleisten zu können.
  • Auf diese Art und Weise kann eine Brennkraftmaschine auch weiterhin betrieben werden, wenn ein Zylinderdrucksensor ausfällt, was die ökonomische Betriebsweise der Brennkraftmaschine wesentlich erhöht.
  • Weiters ist es möglich, die Brennkraftmaschine so lange wie möglich mit möglichst genauen Zylinderdrucksignalen des Zylinderdrucksensors zu versorgen, um eine optimale Betriebsweise der Brennkraftmaschine ermöglichen zu können, was nicht nur die Emissionen verringern, sondern auch die Effizienz für einen möglichst ökologischen Betrieb erhöhen kann.
  • Im Zuge eines weiteren Aspekts der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass bei einem Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine - insbesondere eines Hubkolbenmotors - folgende Schritte ausgeführt werden:
    • Erheben eines Klopfsignals eines Klopfsensors,
    • Erheben eines Zylinderdrucksignals eines Zylinderdrucksensors, welches Zylinderdrucksignal für einen im zumindest einen Brennraum der Brennkraftmaschine herrschenden Zylinderdruck repräsentativ ist,
    • Ermitteln eines geschätzten Zylinderdrucks auf Basis eines Modells aus dem Klopfsignal, und
    • Adaptieren des Modells auf Basis des Zylinderdrucksignals, sodass sich der geschätzte Zylinderdruck an das Zylinderdrucksignal und/oder an den zumindest einen Brennraum herrschenden Zylinderdruck annähert.
  • Auf diese Art und Weise kann im Zuge eines weiteren Aspekts der Erfindung während des laufenden Betriebs das Modelle, welches einen Zusammenhang zwischen dem Klopfsignal und dem herrschenden Zylinderdruck im Brennraum beschreibt, kontinuierlich adaptiert werden, sodass eine Alterung oder andere Veränderungen von Betriebsparameter keine Auswirkung auf die Genauigkeit des geschätzten Zylinderdrucks hinsichtlich des tatsächlichen im Brennraum herrschenden Zylinderdruck haben.
  • In besonders günstiger Art und Weise kann es vorgesehen sein, dass die zwei Aspekte der vorliegenden Erfindung miteinander kombiniert werden, wobei während des laufenden Betriebs das Modell, welches den Zusammenhang zwischen Klopfsignal und geschätztem Zylinderdruck beschreibt, kontinuierlich adaptiert wird und wenn ein durch den Zylinderdrucksensor gemessenes Zylinderdrucksignal nicht mehr plausibel erscheint, der weitere Betrieb der Brennkraftmaschine durch Berücksichtigung des geschätzten Zylinderdrucks fortgeführt werden kann.
  • Anders formuliert, kann im Rahmen der Erfindung bevorzugt durch die an und für sich gegenintuitive Maßnahme einen Zylinderdrucksensor und einen Klopfsensor zu verwenden, außerdem der Vorteil ausgenutzt werden, dass die Klopfsignale sehr lange und genau so kalibriert werden können, dass auch nach einem Ausfall des Zylinderdrucksensors über den Klopfsensor ein hochqualitatives Zylinderdrucksignal zur Verfügung steht.
  • Unter Brennkraftmaschinen können thermische Arbeitsmaschinen verstanden werden, bei welchen durch eine Verbrennung thermisch freiwerdende Energie in mechanische Arbeit umgesetzt wird, wie beispielsweise bei Otto-Motoren, DieselMotoren, Gasturbinen, Heizkessel oder Ähnlichem.
  • Besonders günstig hat sich der Einsatz der Erfindung bei stationären Brennkraftmaschinen - vorzugsweise gasbetriebenen Hub-Kolben-Motoren - herausgestellt. Auch Marine-Anwendungen sind durchaus denkbar.
  • Brennkraftmaschinen, insbesondere stationäre Brennkraftmaschinen, können dazu eingesetzt werden, um Generatoren zur Stromerzeugung anzutreiben. Solche Einheiten mit einem von einer Brennkraftmaschine angetriebenen Generator werden oft auch als Gensets bezeichnet.
  • Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine oder ein erfindungsgemäßes Verfahren kann seinen Einsatz bei bereits bestehenden Systemen des Standes der Technik, wie beispielsweise in der Beschreibungseinleitung beschrieben, finden und nachträglich installiert werden.
  • Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
  • Es kann vorgesehen sein, dass - vorzugsweise falls das Zylinderdrucksignal gemäß der Plausibilitätsprüfung plausibel ist - das Modell auf Basis des Zylinderdrucksignals so adaptiert wird, dass sich der geschätzte Zylinderdruck an das Zylinderdrucksignal und/oder den im zumindest einen Brennraum herrschenden Zylinderdruck annähert.
  • Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass - falls das Zylinderdrucksignal gemäß der Plausibilitätsprüfung plausibel ist - das Zylinderdrucksignal des Zylinderdrucksensors für den Betrieb der Brennkraftmaschine verwendet wird.
  • Es kann vorgesehen sein, dass das Verfahren zeitaufgelöst und/oder kurbelwinkelaufgelöst - vorzugsweise in Echtzeit - während des Betriebs der Brennkraftmaschine durchgeführt wird.
  • Auch Ausführungsvarianten, bei welchen das Verfahren motorzyklusbasiert oder zu einem bestimmten Zeitpunkt des Zyklus durchgeführt wird (wobei beispielsweise das Verfahren durchgeführt wird, wenn die Daten vorliegen), ist durchaus denkbar.
  • Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass der geschätzte Zylinderdruck und/oder das Zylinderdrucksignal des Zylinderdrucksensors für eine Steuerung oder Regelung der Brennkraftmaschine - besonders bevorzugt zur Annäherung an eine gewünschte Antriebsleistung, Energiebedarfs oder Emission der Brennkraftmaschine - herangezogen wird.
  • Es kann vorgesehen sind, dass die Plausibilität des Zylinderdrucksignals unter Zuhilfenahme zumindest eines weiteren ermittelten Betriebsparameters der Brennkraftmaschine ermittelt wird.
  • Ein solcher weiterer, ermittelter Betriebsparameter kann zumindest einer der folgenden Betriebsparameter sein:
    • ein Zündzeitpunkt,
    • eine Antriebsleistung und/oder ein Drehmoment,
    • eine Winkelgeschwindigkeit und/oder eine Netzfrequenz eines durch die Brennkraftmaschine angetriebenen Generators oder damit verbundenen Netzes,
    • ein Ladedruck,
    • eine Ladelufttemperatur, und/oder
    • eine Verbrennungstemperatur.
  • Es kann vorgesehen sein, dass der weitere, ermittelte Betriebsparameter als gemessenes Sensorsignal durch wenigstens einen Sensor und/oder durch eine Maschinensteuerung der Brennkraftmaschine bereitgestellt wird.
  • Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass das Zylinderdrucksignal gemäß einer Plausibilitätsprüfung plausibel ist, wenn das Zylinderdrucksignal einen vordefinierten Zusammenhang zwischen einem Zylinderdrucksignal zu den weiteren ermittelten Betriebsparametern erfüllt, wobei besonders bevorzugt der Zusammenhang einen Wertebereich für das Zylinderdrucksignal definiert.
  • Der Wertebereich kann einem definierten Zylinderdrucksignal für einen bestimmten Betriebsparameter +/- einem Toleranzbereich entsprechen.
  • Dieser Toleranzbereich kann vorzugsweise eine Messungenauigkeit, Verbrennungsindifferenz oder sonstige, anzunehmende und zu erwartende Werteabweichungen, welche eine annehmbare Schwankung betreffen, tolerieren.
  • Es kann auch vorgesehen sein, dass die Plausibilität des Zylinderdrucksignals ohne Zuhilfenahme eines weiteren Betriebsparameters der Brennkraftmaschine ermittelt wird.
  • Es kann beispielsweise die Plausibilität des Zylinderdrucksignals durch den Vergleich mit einem vordefinierten Maximum, Minimum und/oder einem Wertebereich festgestellt werden.
  • Es kann vorgesehen sein, dass der Vergleich des ermittelten Zylinderdrucksignals mit einer vorgegebenen Schleppkurve, welche vorzugsweise ohnehin während der Verbrennung mitberechnet wird, vonstattengeht, wobei das Zylinderdrucksignal nicht mehr plausibel erscheint, wenn es von der Schleppkurve zu weit abweicht.
  • Auch eine generelle Plausibilitätsprüfung ist durchaus vorstellbar, wobei beispielsweise negative Werte oder unerwartete Werte in bestimmten Bereichen des Zyklus der Verbrennung als nicht-plausibel gewertet werden.
  • Es kann vorgesehen sein, dass für den Betrieb der Brennkraftmaschine das Zylinderdrucksignal und/oder der geschätzte Zylinderdruck zur Steuerung oder Regelung einer Stellgröße des Verbrennungsmotors, vorzugsweise eines Zündzeitpunktes, eines Ladedrucks, einer zugeführten Brennstoffmenge, einer zugeführten Ladeluftmenge und/oder einer Abgasrückführrate, herangezogen wird.
  • Weiters wird Schutz begehrt für eine Brennkraftmaschine, vorzugsweise einen Hubkolbenmotor, umfassend:
    • wenigstens einen Brennraum,
    • einen am wenigstens einen Brennraum angeordneten Zylinderdrucksensor, welcher dazu ausgebildet ist, ein für einen im zumindest einen Brennraum der Brennkraftmaschine herrschenden Zylinderdruck repräsentatives Zylinderdrucksignal zu ermitteln,
    • wenigstens einen Klopfsensor, welcher dazu ausgebildet ist, ein repräsentatives Klopfsignal der Brennkraftmaschine, vorzugsweise des wenigstens einen Brennraumes, zu ermitteln, und
    • wenigstens einer Steuer- oder Regelvorrichtung, welche dazu ausgebildet ist, ein Zylinderdrucksignal des Zylinderdrucksensors und das Klopfsignal des Klopfsensors entgegenzunehmen,
    wobei die Steuer- oder Regelvorrichtung weiters dazu ausgebildet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen.
  • Ebenfalls Schutz begehrt wird für ein Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die einen ausführenden Computer, insbesondere eine Steuer- oder Regelvorrichtung einer Brennkraftmaschine, dazu veranlassen:
    • ein Klopfsignal eines Klopfsensors entgegenzunehmen,
    • ein für einen im zumindest einen Brennraum der Brennkraftmaschine herrschenden Zylinderdruck repräsentatives Zylinderdrucksignal eines Zylinderdrucksensors entgegenzunehmen,
    • auf Basis eines Modells einen geschätzten Zylinderdruck aus einem Klopfsignal zu ermitteln,
    • das Zylinderdrucksignal einer Plausibilitätsprüfung zu unterziehen, und
    • falls das Zylinderdrucksignal gemäß der Plausibilitätsprüfung nicht plausibel ist, den geschätzten Zylinderdruck für den Betrieb der Brennkraftmaschine zu verwenden oder auszugeben.
  • Weiters wird Schutz begehrt für ein computerlesbares Speichermedium, auf dem ein erfindungsgemäßes Computerprogrammprodukt gespeichert ist.
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der Figurenbeschreibung unter Bezugnahme auf die Figur näher erläutert.
  • Dabei zeigt Fig. 1 ein schematisches Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer Brennkraftmaschine.
  • Die Brennkraftmaschine umfasst in diesem Ausführungsbeispiel einen Klopfsensor 2, durch welchen ein Klopfsignal 1 erhoben werden, und einen Zylinderdrucksensor 4, durch welchen ein Zylinderdrucksignal 3 erhoben werden kann.
  • Das Zylinderdrucksignal 3 des Zylinderdrucksensors 4 ist dabei für einen in zumindest einen Brennraum der Brennkraftmaschine herrschenden Zylinderdruck repräsentativ.
  • Der Klopfsensor 1 kann an der Brennkraftmaschine entsprechend zugehörig demselben Brennraum als auch der Zylinderdrucksensor 4 angeordnet sein (beispielsweise an einem Zylinderkopf des jeweiligen Brennraums) oder global ein Klopfsignal 1 für die gesamte Brennkraftmaschine erheben.
  • Das Klopfsignal 1 des Klopfsensors 2 wird in einem ersten Schritt einem Signalfilter 10 zugeführt, welcher das Klopfsignal 1 des Klopfsensors 2 entsprechend filtert und zur weiteren Verarbeitung aufbereitet, wobei Störgrößen gefiltert werden und das Sensorsignal entsprechend bereinigt werden, sowie das Sensorsignal gegebenenfalls in eine bevorzugte Signalgröße umgewandelt wird.
  • Anschließend wird das aufbereitete Klopfsignal 1 weiter an das Modell 5 geleitet, welches Modell 5 einen Zusammenhang zwischen dem aufbereiteten Klopfsignal 1 und einem geschätzten Zylinderdruck 6 widerspiegelt, wodurch das gefilterte Klopfsignal 1 in einen geschätzten Zylinderdruck 6 umgewandelt wird.
  • Das Modell 5 kann hierbei noch weitere Betriebsparameter 9 der Brennkraftmaschine berücksichtigen, wobei beispielsweise das Klopfsignal 1 kurbelwinkelaufgelöst in einem geschätzten Zylinderdruck 6 weiterverarbeitet wird.
  • Beispielhaft können weitere Betriebsparameter 9 der Brennkraftmaschine ein Kurbelwinkel ω, ein Ladedruck P2', eine Ladelufttemperatur T2' oder ein Zündzeitpunkt ITP sein.
  • Das Zylinderdrucksignal 3 wird nach der Messung durch den Zylinderdrucksensor 4 hin zu einer Plausibilitätsprüfung 7 geleitet, wobei das Zylinderdrucksignal 3 unter Zuhilfenahme weiterer Betriebsparameter 9 einer Plausibilitätsprüfung 7 unterzieht.
  • Die Plausibilitätsprüfung 7 umfasst eine Abfrage in diesem Ausführungsbeispiel, wobei ein definierter Wertebereich hinsichtlich der weiteren Betriebsparameter 9 dargestellt wird, wobei - wenn das Zylinderdrucksignal 3 diesem definierten Wertebereich entspricht - das Zylinderdrucksignal 3 als plausibel eingestuft wird und von der Plausibilitätsprüfung 7 die Weiche dermaßen eingestellt wird, dass das Zylinderdrucksignal 3 an die Steuer- oder Regelvorrichtung 8 der Brennkraftmaschine weitergeleitet wird.
  • Sofern das Zylinderdrucksignal 3 nicht als plausibel durch die Plausibilitätsprüfung 7 eingestuft wird, wird die Weiche umgestellt und anstelle des Zylinderdrucksignals 3 der geschätzte Zylinderdruck 6 an die Steuer- oder Regelvorrichtung 8 der Brennkraftmaschine weitergegeben, wobei auf Basis des geschätzten Zylinderdrucks 6 anstelle des Zylinderdrucksignals 3 die weitere Steuerung oder Regelung der Brennkraftmaschine erfolgt.
  • Durch die Plausibilitätsprüfung 7 kann somit beispielsweise ein Gebrechen des Zylinderdrucksensors 4 festgestellt werden und rechtzeitig eingelenkt werden, sodass fehlerhafte Zylinderdrucksignale 3 nicht zur Steuerung oder Regelung durch die Steuer- oder Regelvorrichtung 8 der Brennkraftmaschine herangezogen wird, wodurch gegebenenfalls eine fehlerhafte Steuerung oder Regelung der Brennkraftmaschine vorgenommen werden könnte.
  • Wenn jedoch die Plausibilitätsprüfung 7 ergibt, dass das Zylinderdrucksignal 3 plausibel erscheint, wird des Weiteren durch die Plausibilitätsprüfung 7 die Modelladaption 11 aktiviert.
  • Dieser Modelladaption 11 wird eine Differenz aus geschätztem Zylinderdruck 6 und Zylinderdrucksignal 3 zugeführt und auf Basis dieser Differenz durch die Modelladaption 11 das Modell 5 dermaßen adaptiert, dass der geschätzte Zylinderdruck 6 an das Zylinderdrucksignal 3 angenähert wird.
  • Durch eine entsprechende, kontinuierliche Adaption des Modells 5 - sofern das Zylinderdrucksignal 3 plausibel erscheint - kann eine Veränderung der Betriebsbedingungen, ein Verschleiß und/oder eine Alterung der Brennkraftmaschine in das Modell eingepflegt werden und sichergestellt werden, dass weiterhin ein passgenauer Zusammenhang durch das Modell 5 zwischen Klopfsignal 1 und Zylinderdruck bereitgestellt wird.
  • Nachdem durch die Plausibilitätsprüfung 7 entweder das Zylinderdrucksignal 3 oder der geschätzte Zylinderdruck 6 an die Steuer- oder Regelvorrichtung 8 der Brennkraftmaschine weitergeleitet wird, wird eine weitere Plausibilitätsabfrage 12 durchgeführt, welche eine zusätzliche Plausibilitätsüberprüfung unter Berücksichtigung weiterer Betriebsparameter 9 der Brennkraftmaschine durchführt, um sicherzustellen, dass das der Steuer- oder Regelvorrichtung 8 zugeführte Zylinderdrucksignal 3 oder der geschätzte Zylinderdruck 6 auch einer tatsächlichen Istgröße des Drucks im Brennraum entspricht.
  • Die Steuer- oder Regelvorrichtung 8 der Brennkraftmaschine kann anschließend auf Basis des charakteristischen Signals für den Druck im Brennraum eine entsprechende Steuerung oder Regelung der Brennkraftmaschine über Ausgabe der Stellgrößen 13 vornehmen, wobei beispielsweise eine Brennstoffmasse mG, ein Zündzeitpunkt ITP, ein Zündaussetzen oder andere Veränderungen von Stellgrößen der Brennkraftmaschine vorgenommen werden können.
  • Das in Fig. 1 dargestellt Verfahren ist rein beispielhaft zu verstehen, wobei zu beachten ist, dass diese Verfahrensschritte beispielsweise durch entsprechende Software-Bausteine in die Steuer- oder Regelvorrichtung 8 der Brennkraftmaschine integriert werden kann.
  • Dies Steuer- oder Regelvorrichtung 8 der Brennkraftmaschine kann beispielsweise als zentrale Maschinensteuerung der Brennkraftmaschine umgesetzt sein.
  • Weiters ist darauf zu verweisen, dass das in Fig. 1 dargestellte Verfahren individuell für jeden Brennraum der Brennkraftmaschine oder auch global über die gesamte Brennkraftmaschine vorgenommen werden kann.
    • Bezugszeichenliste:
    • 1
    Klopfsignal
    2
    Klopfsensor
    3
    Zylinderdrucksignal
    4
    Zylinderdrucksensor
    5
    Modell
    6
    geschätzter Zylinderdruck
    7
    Plausibilitätsprüfung
    8
    Steuer- oder Regelvorrichtung
    9
    Weiterer Betriebsparameter
    10
    Signalfilter
    11
    Modelladaption
    12
    Weitere Plausibilitätsabfrage
    13
    Stellgröße

Claims (14)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, wobei
    - ein Klopfsignal (1) eines Klopfsensors (2) erhoben wird,
    - ein Zylinderdrucksignal (3) eines Zylinderdrucksensors (4) erhoben wird, welches Zylinderdrucksignal (3) für einen in zumindest einem Brennraum der Brennkraftmaschine herrschenden Zylinderdruck repräsentativ ist,
    - auf Basis eines Modells (5) ein geschätzter Zylinderdruck (6) aus einem Klopfsignal (1) ermittelt wird,
    - das Zylinderdrucksignal (3) einer Plausibilitätsprüfung (7) unterzogen wird, und
    - falls das Zylinderdrucksignal (3) gemäß der Plausibilitätsprüfung (7) nicht plausibel ist, den geschätzten Zylinderdruck (6) für den Betrieb der Brennkraftmaschine zu verwenden.
  2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei, vorzugsweise falls das Zylinderdrucksignal (3) gemäß der Plausibilitätsprüfung (7) plausibel ist, das Modell (5) auf Basis des Zylinderdrucksignals (3) so adaptiert wird, dass sich der geschätzte Zylinderdruck (6) an das Zylinderdrucksignal (3) und/oder den im zumindest einen Brennraum herrschenden Zylinderdruck annähert.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei falls das Zylinderdrucksignal (3) gemäß der Plausibilitätsprüfung (7) plausibel ist, das Zylinderdrucksignal (3) des Zylinderdrucksensors (4) für den Betrieb der Brennkraftmaschine verwendet wird.
  4. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren zeitaufgelöst und/oder kurbelwinkelaufgelöst, vorzugsweise in Echtzeit, während des Betriebs der Brennkraftmaschine durchgeführt wird.
  5. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der geschätzten Zylinderdruck (6) und/oder das Zylinderdrucksignal (3) des Zylinderdrucksensors (4) für eine Steuer- oder Regelung der Brennkraftmaschine, vorzugsweise zur Annäherung an eine gewünschten Antriebsleistung, Energiebedarfs und/oder Emission der Brennkraftmaschine, herangezogen wird.
  6. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Plausibilität des Zylinderdrucksignals (3) unter Zuhilfenahme zumindest eines weiteren ermittelten Betriebsparameters (9) der Brennkraftmaschine ermittelt wird.
  7. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei als weiterer ermittelter Betriebsparameter (9) zumindest einer der folgenden Betriebsparameter herangezogen wird:
    - ein Zündzeitpunkt,
    - eine Antriebsleistung und/oder ein Drehmoment,
    - eine Winkelgeschwindigkeit und/oder eine Netzfrequenz,
    - ein Ladedruck,
    - eine Ladelufttemperatur, und/oder
    - eine Verbrennungstemperatur.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei der weiterer ermittelter Betriebsparameter (9) als gemessenes Sensorsignal durch wenigstens einen Sensor und/oder durch eine Steuer- oder Regelvorrichtung (8) der Brennkraftmaschine bereitgestellt wird.
  9. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei das Zylinderdrucksignal (3) gemäß der Plausibilitätsprüfung (7) plausibel ist, wenn das Zylinderdrucksignal (3) einen vordefinierten Zusammenhang zwischen einem Zylinderdrucksignal (3) zu dem weiteren ermittelten Betriebsparameter (9) erfüllt, wobei vorzugweise der Zusammenhang einen Wertebereich für das Zylinderdrucksignal (3) definiert.
  10. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für den Betrieb der Brennkraftmaschine das Zylinderdrucksignal (3) und/oder der geschätzte Zylinderdruck (6) zur Steuer- oder Regelung einer Stellgröße der Brennkraftmaschine, vorzugsweise eines Zündzeitpunktes, eines Ladedrucks, einer zugeführten Brennstoffmenge, einer zugeführten Ladeluftmenge und/oder einer Abgasrückführrate, herangezogen wird.
  11. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
    - ein Klopfsignal (1) eines Klopfsensors (2) erhoben wird,
    - ein Zylinderdrucksignal (3) eines Zylinderdrucksensors (4) erhoben wird, welches Zylinderdrucksignal (3) für einen in zumindest einem Brennraum der Brennkraftmaschine herrschenden Zylinderdruck repräsentativ ist,
    - auf Basis eines Modells (5) ein geschätzter Zylinderdruck (6) aus dem Klopfsignal (1) ermittelt wird und
    - das Modell (5) auf Basis des Zylinderdrucksignals (3) so adaptiert wird, dass sich der geschätzte Zylinderdruck (6) an das Zylinderdrucksignal (3) und/oder den im zumindest einen Brennraum herrschenden Zylinderdruck annähert.
  12. Brennkraftmaschine, vorzugsweise Hubkolbenmotor, umfassend:
    - wenigstens einen Brennraum,
    - einem am wenigstens einen Brennraum angeordneten Zylinderdrucksensor (4), welcher dazu ausgebildet ist, ein für einen im zumindest einen Brennraum der Brennkraftmaschine herrschenden Zylinderdruck repräsentatives Zylinderdrucksignal (3) zu ermitteln,
    - wenigstens einen Klopfsensor (2), welcher dazu ausgebildet ist, ein repräsentatives Klopfsignal (1) der Brennkraftmaschine, vorzugsweise des wenigstens einen Brennraums, zu ermitteln, und
    - wenigstens einer Steuer- oder Regelvorrichtung (8), welche dazu ausgebildet ist, das Zylinderdrucksignal (3) des Zylinderdrucksensor (4) und das Klopfsignal (1) des Klopfsensors (2) entgegenzunehmen,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- oder Regelvorrichtung (8) weiters dazu ausgebildet ist ein Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11 auszuführen.
  13. Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die einen ausführenden Computer, insbesondere eine Steuer- oder Regelvorrichtung (8) nach Anspruch 12, dazu veranlassen,
    - ein Klopfsignal (1) eines Klopfsensors (2) entgegenzunehmen,
    - ein für einen in zumindest einem Brennraum der Brennkraftmaschine herrschenden Zylinderdruck repräsentatives Zylinderdrucksignal (3) eines Zylinderdrucksensors (4) entgegenzunehmen,
    - auf Basis eines Modells (5) ein geschätzten Zylinderdruck (6) aus einem Klopfsignal (1) zu ermitteln,
    - das Zylinderdrucksignal (3) einer Plausibilitätsprüfung (7) zu unterziehen, und
    - falls das Zylinderdrucksignal (3) gemäß der Plausibilitätsprüfung (7) nicht plausibel ist, den geschätzten Zylinderdruck (6) für den Betrieb der Brennkraftmaschine zu verwenden oder auszugeben.
  14. Computerlesbares Speichermedium, auf dem ein Computerprogrammprodukt gemäß Anspruch 13 gespeichert ist.
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