-
Technisches Gebiet
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Ermitteln eines Zylinderdruckmerkmals aus dem von einem Zylinderdrucksensor
erfassten Druckverlauf in einem Zylinder.
-
Stand der Technik
-
Bisherige
Motorsteuerungen verwenden eine Vielzahl von Sensorwerten, die von
Sensoren an dem Verbrennungsmotor geliefert werden, um das Einspritzsystem
und das Luftsystem des Verbrennungsmotors zu steuern bzw. zu regeln.
Das gilt sowohl für
Otto- als auch für
Dieselmotoren. Eine mögliche
Alternative, die Motorsteuerung auszuführen, besteht darin, die Motorsteuerung
anstatt auf die oben genannten Sensorwerte, welche nur indirekte Informationen über den
in den Zylindern ablaufenden Verbrennungsprozess liefern, auf Basis
eines direkten, zylinderindividuellen Brennraumsignals aufzubauen.
Dazu wird vorgeschlagen, Zylinderdrucksensoren zu verwenden, um
den Zylinderdruck zu messen, da diese die höchste Messgenauigkeit aufweisen.
Bei der Messung des Zylinderdrucks stellt die grundlegende Führungsgröße, der
mittlere indizierte Druck, ein Maß für die vom Motor geleistete
mechanische Arbeit dar. Da insbesondere bei Ottomotoren im SI-Betrieb
(Zündbetrieb)
der mittlere indizierte Druck von Zyklus zu Zyklus sehr stark schwankt, muss
somit eine darauf basierende Regelung relativ langsam ausgelegt
werden. Aus diesem Grunde wird ein zweiter Regelkreis auf Basis
der Verbrennungslage zur schnellen Wirkungsgradanpassung integriert.
-
Als
weitere vorteilhafte Führungsgröße hat sich
hierbei der Winkel des maximalen durch den Verbrennungsvorgang bewirkten
Zylinderdrucks φ (p_max)
herausgestellt bzw. der Winkels des maximalen Zylinderdruckgradienten über die
Verbrennungslage φ (dp_max/dφ). Beide
Signale werden jedoch von der Verdichtungskurve überlagert, d. h. von dem Anteil
des Drucks, der durch die Kompression und Entspannung aufgrund der
Kolbenbewegung im Zylinder verursacht wird. Dabei besteht grundsätzlich das
Problem, dass dieses Merkmal schwierig zu extrahieren ist, wenn
der maximale Druckwert nicht mehr durch die Verbrennung sondern
durch die Verdichtung im Zylinder verursacht wird, wie es beispielsweise
bei sehr späten
Verbrennungslagen der Fall ist.
-
Beim
potenziellen Einsatz einer zylinderdruckbasierten Motorsteuerung
kommt eine Verbrennungslageregelung sowohl beim Ottomotor, z. B.
zur Bestimmung des Wirkungsgrads beim konventionellen SI-Betrieb,
bei der gesteuerten Selbstzündung sowie
bei der Stabilisierung neuer Verbrennungsverfahren zur Kraftstoffreduktion,
als auch beim Dieselmotor, wie z. B. bei der Stabilisierung neuer
Verbrennungsverfahren zur Emissionsreduktion, eine besondere Bedeutung
zu.
-
Bislang
werden die Verbrennungslagemerkmale aus der Druckverlaufskurve ermittelt,
indem die Verdichtungskurve mithilfe einer so genannten Heizverlaufsrechnung
heraus gerechnet wird, um den nur durch die Verbrennung bewirkten
Zylinderdruck als Ausgangsgröße für die Bestimmung
der benötigten Zylinderdruckmerkmale
zu erhalten. Die Heizverlaufsrechnung basiert auf der umgesetzten
Energiemenge, woraus sich die bei der Kompression verrichtete Arbeit
ermitteln lässt,
so dass auf den im Zylinder durch die Kompression wirkenden Druck
geschlossen werden kann. Das Implementieren einer solchen Berechnung
ist jedoch aufwändig.
-
Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verbrennungslagemerkmale
auf Basis eines Zylinderdruckmerkmals in einfacher Weise zu extrahieren,
ohne dass eine aufwändige
Berechnung des durch die Kompression und Entspannung bewirkten Druckverlaufs
notwendig ist.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Diese
Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie durch die
Vorrichtung gemäß dem nebengeordneten
Anspruch gelöst.
-
Gemäß einem
ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Bestimmen eines oder mehrerer
Zylinderdruckmerkmale zur Einstellung der Verbrennungslage in einem
Verbrennungsmotor vorgesehen. Das Verfahren umfasst die Schritte:
- – Ermitteln
eines Verlaufs eines Zylinderdrucks oder eines Verlaufs eines Zylinderdruckgradienten
bezüglich
eines Kurbelwellenwinkels;
- – Filtern
des Verlaufs des Zylinderdrucks bzw. des Verlaufs des Zylinderdruckgradienten
mit einem Hochpassfilter, um einen Anteil einer durch die Kolbenbewegung
im Brennraums bewirkte Druckschwankung zu eliminieren;
- – Bestimmen
mindestens eines Zylinderdruckmerkmals aus dem gefilterten Verlauf.
-
Das
obige Verfahren ermöglichtes,
zylinderindividuelle Merkmale zur Verbrennungslage direkt und ohne
eine aufwändige
Berechnung einer Verdichtungskurve, z. B. mit Hilfe einer Heizverlaufsrechnung
und dgl. aus dem Verlauf des Zylinderdrucks bzw. aus dem Verlauf
des Zylinderdruckgradienten in einfacher und robuster Weise zu gewinnen. Dies
wird dadurch erreicht, dass der Einfluss des Kompressions- und Entspannungsprozesses
im Brennraum aufgrund der Kolbenbewegung durch Herausfiltern des
dadurch bewirkten Druckverlaufs im Zylinder unterdrückt wird.
-
Weiterhin
kann als mindestens ein Zylinderdruckmerkmal die Lage des Maximums
des gefilterten Verlaufs des Zylinderdrucks bzw. des Verlaufs des
Zylinderdruckgradienten und/oder die Größe der Amplitude des gefilterten
Verlaufs des Zylinderdrucks bzw. des Verlaufs des Zylinderdruckgradienten
an dessen Maximum und/oder eine Kurbelwellenwinkeldifferenz zwischen
dem Kurbelwellenwinkel des ersten lokalen Minimums vor dem maximalen
Zylinderdruck bzw. dem maximalen Zylinderdruckgradienten und dem
ersten lokalen Minimum nach dem maximalen Zylinderdrucks bzw. dem
maximalen Zylinderdruckgradienten bestimmt werden.
-
Gemäß einer
Ausführungsform
kann das Filtern des Verlaufs des Zylinderdrucks bzw. des Verlaufs
des Zylinderdruckgradienten mit einem Hochpassfilter durchgeführt werden,
insbesondere mit einem Hochpassfilter, dessen Grenzfrequenz variabel ist
und von der aktuellen Drehzahl des Verbrennungsmotors abhängt, wobei
die Filterung insbesondere phasenkompensiert durchgeführt wird.
-
Es
kann vorgesehen sein, dass der Verlauf des Zylinderdrucks bzw. der
Verlauf des Zylinderdruckgradienten mit einem Tiefpassfilter tiefpassgefiltert
und/oder einer Offset-Korrektur unterzogen wird.
-
Weiterhin
kann das Hochpassfiltern und das Tiefpassfiltern durch ein Bandpassfiltern
durchgeführt
werden.
-
Gemäß einem
weiteren Aspekt ist eine Motorsteuereinheit zum Bestimmen eines
oder mehrerer Zylinderdruckmerkmale zur Einstellung der Verbrennungslage
in einem. Verbrennungsmotor vorgesehen. Die Motorsteuereinheit ist
ausgebildet, um einen Verlauf eines Zylinderdrucks oder einen Verlauf eines
Zylinderdruckgradienten bezüglich
eines Kurbelwellenwinkels zu ermitteln, um den Verlauf des Zylinderdrucks
bzw. den Verlauf des Zylinderdruckgradienten mit einem Hochpassfilter
zu filtern, um einen Anteil einer durch die Kolbenbewegung im Brennraum
bewirkten Druckschwankung zu eliminieren und um das mindestens eine
Zylinderdruckmerkmal aus dem gefilterten Verlauf zu bestimmen.
-
Gemäß einem
weiteren Aspekt ist ein Motorsystem mit einem Verbrennungsmotor
mit der obigen Motorsteuereinheit und mit einem in mindestens einem
Zylinder des Verbrennungsmotors angeordneten Drucksensor zum Erfassen
des Zylinderdrucks vorgesehen.
-
Gemäß einem
weiteren Aspekt ist ein Computerprogramm vorgesehen, das einen Programmcode
enthält,
der, wenn er auf einer Datenverarbeitungseinheit ausgeführt wird,
das obige Verfahren ausführt.
-
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
-
Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen
näher erläutert. Es
zeigen:
-
1 eine
schematische Darstellung eines Zylinders eines Dieselmotorsystems,
das zum Durchführen
des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet
werden kann;
-
2 ein
Blockschaltbild zur Veranschaulichung der Funktion des Verfahrens
zum Bereitstellen von einfachen und robusten Zylinderdruckmerkmalen
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung;
-
3 ein
Diagramm zur Darstellung des Verlaufs des Zylinderdruckgradienten über der
Kurbelwellenlage mit überlagerter
Verdichtungskurve bei drei Arbeitsspielen mit verschiedenen Zündwinkeln;
-
4 ein
Diagramm zur Darstellung des Verlaufs des Zylinderdruckgradienten
bei Anwendung einer Hochpassfilterung bei den drei Arbeitsspielen
mit den verschiedenen Zündwinkeln
der 3.
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
In 1 ist
als Ausführungsbeispiel
ein Motorsystem mit einem Verbrennungsmotor 1 mit einem exemplarisch
dargestellten Zylinder 2 gezeigt. Als gezeigtes Beispiel
ist der Verbrennungsmotor 1 als ein Dieselmotor dargestellt,
bei dem Kraft stoffdirekt in den Brennraum eingespritzt wird. Die
vorliegende Erfindung lässt
sich jedoch ohne weiteres auch auf Ottomotoren oder auf Verbrennungsmotoren
mit nicht direkter Einspritzung, wie es z. B. bei der Einspritzung
des Kraftstoffs ins Saugrohr der Fall ist, übertragen.
-
Bei
dem in 1 gezeigten Motorsystem wird Luft über ein
Saugrohr 3 in einen Brennraum 4 des Zylinders 2 zugeführt. Kraftstoff
wird über
ein Einspritzventil 5 von einer Kraftstoffleitung 6 in
den Brennraum 4, gesteuert von einer Motorsteuereinheit 7,
eingespritzt. Beim Betrieb des Verbrennungsmotors 1 bewirkt
der Kolben 8, der sich im Brennraum 4 bewegt,
eine Verdichtung, die das im Brennraum 4 befindliche Kraftstoff-Luft-Gemisch
erwärmt,
so dass dadurch eine Selbstzündung
und ein Verbrennungsprozess ausgelöst wird, der den Kolben 8 antreibt. Dadurch
wird der Kolben bewegt und der Brennraum 4 vergrößert, wodurch
sich das Gas in dem Brennraum 4 entspannt. Nach der Verbrennung
werden die Verbrennungsabgase mithilfe einer weiteren Kolbenbewegung über einen
Abgasabschnitt 9 aus dem Brennraum 4 ausgestoßen.
-
Zur
Motorsteuerung ist vorgesehen, dass an dem Brennraum 4 ein
Drucksensor 10 angeordnet ist, der den Zylinderdruck im
Brennraum kontinuierlich entweder in festgelegten Zeitabschnitten
oder abhängig
von einem Kurbelwellenwinkel, z. B. in Abständen von jeweils 0, 5°, misst und
das resultierende Zylinderdrucksignal der Motorsteuereinheit 7 zur Verfügung stellt.
Die Motorsteuereinheit 7 wertet das Zylinderdrucksignal
aus und steuert den Verbrennungsmotor 1 entsprechend abhängig von
dem Zylinderdrucksignal an. Insbesondere regelt bzw. steuert die
Motorsteuereinheit 7 die Drosselklappenstellung und die
Einspritzmenge sowie den Ein spritzzeitpunkt des Verbrennungsmotors
abhängig
von dem Zylinderdrucksignal.
-
Aus
dem Verlauf des Zylinderdrucksignals von dem Drucksensor 10 werden
in der Regel eines oder mehrere der folgenden Zylinderdruckmerkmale extrahiert:
- 1. Es kann die Amplitude des Zylinderdrucks
p am Kurbelwellenwinkel φ bestimmt
werden, an dem der Zylinderdruck p maximal ist. Alternativ oder zusätzlich kann
die Amplitude des Zylinderdruckgradienten dp am Kurbelwellenwinkel α bestimmt werden,
an dem der Zylinderdruckgradient dp maximal ist. Dieser maximale
Zylinderdruck p_max bzw. Zylinderdruckgradient dp_max variiert je nach
Verbrennungslage bezüglich
des Kurbelwellenwinkels φ und
lässt eine
Aussage über
die Geräuschentwicklung
bei der Verbrennung zu.
- 2. Die Lage des maximalen Zylinderdrucks, d. h. der Kurbelwellenwinkel φ, an dem
der maximale Druckwert p_max bzw. der maximale Zylinderdruckgradient
dp_max auftritt, ist relevant für
die Emission der Verbrennung und den Wirkungsgrad des Motors.
- 3. Als weitere wichtige Messgröße wird die Verbrennungsdauer
bestimmt, die als Kurbelwellenwinkeldifferenz angegeben wird. Die
Verbrennungsdauer entspricht dann einer Kurbelwellenwinkeldifferenz
zwischen dem ersten lokalen Minimum vor dem maximalen Druckwert
p_max bzw. dem maximalen Gradienten des Druckwerts dp_max und dem
ersten lokalen Minimum nach dem maximalen Druckwert p_max bzw. dem
maximalen Gradienten des Druckwerts dp_max. Aus der Kurbelwellenwinkeldifferenz
lässt sich
die Dauer der Verbrennung ableiten. Von der Dauer der Verbrennung
kann man beispielsweise Annahmen über die Kraftstoffzusammensetzung
ableiten.
-
Alle
oder ein Teil der oben genannten Zylinderdruckmerkmale werden in
der Motorsteuereinheit 7 entweder direkt zur Ansteuerung
des Verbrennungsmotors 1 oder zur Diagnose der Funktion
des Verbrennungsmotors 1 verwendet.
-
In 2 ist
eine schematische Darstellung der in der Motorsteuereinheit 7 ausgeführten Funktionen
dargestellt. Ausgangspunkt für
das Verfahren ist die Messgröße Zylinderdruck
pzyl, der winkelsynchron aufgezeichnet und
mit einem Tiefpassfilter 20 zunächst geglättet wird. Anschließend wird
eine Offset-Korrektur in einem Offset-Korrekturglied 21 ausgeführt. Der
so erhaltene Verlauf pzyl(φ) wird nun
direkt auf die Lage des Maximums φ (p_max) hin ausgewertet oder
bezüglich
des Kurbelwellenwinkels differenziert, um den Signalverlauf des
Zylinderdruckgradienten dpzyl(φ)/dφ zu erhalten.
Aus dem Signalverlauf des Zylinderdruckgradienten lässt sich
der Kurbelwellenwinkel φ dessen
Maximums dpmax ermitteln.
-
In
den 3 und 4 sind Zylinderdruckgradienten
für drei
Arbeitsspiele bei einem Lastsprung im pHCCI-Betrieb (pHCCI: Partially
Homogeneous Charge Compression Ignition) dargestellt.
-
In 3 sind
drei Verläufe
des Zylinderdruckgradienten bei verschiedenen Verbrennungslagen
in den drei aufeinander folgenden Arbeitsspielen dargestellt, wobei
keine Maßnahmen
zum Eliminieren der Verdichtungskurve vorgenommen wurden. Dem eigentlich
interessierenden Verbrennungsanteil an diesen Verläufen ist
jedoch, wie aus 3 ersichtlich, der langsame,
aber mit einer relativ großen
Amplitude versehene Anteil von Kompression und Expansion, d. h.
eine Verdichtungskurve, überlagert. Die Überlagerung
der Verdichtungskurve führt
dazu, dass das zur Verbrennung gehörende Maximum des Zylinderdruckverlaufs
pzyl(φ)
bzw. des Zylinderdruckgradientenverlaufs dpzyl(φ)/dφ insbesondere
bei späten,
potenziell verschleppten Verbrennungen keinen globalen, sondern
nur noch einen lokalen Charakter besitzt. Die robuste Bestimmung
dieses Maximums, das in diesem Fall nur noch ein lokales Maximum
ist, ist demzufolge nicht zuverlässig
durchführbar
oder nur mit erhöhtem
Berechnungsaufwand ermittelbar.
-
Aus
diesem Grunde wird ein Hochpassfilterglied 22 vorgesehen,
um die Kompressions- und Expansionsanteile, d. h. die Verdichtungskurve
zu eliminieren. Dies ist möglich,
da die Verdichtungskurve ein bekanntes, von der Drehzahl des Verbrennungsmotors
abhängiges
Frequenzverhalten aufweist. Durch das Hochpassfilterglied 22 erhält man einen
Signalverlauf des Zylinderdrucks bzw. des Zylinderdruckgradienten,
wie er in 4 dargestellt ist. In 4 sind
für die
gleichen Verbrennungslagen wie bei der 3 drei Verläufe des
Zylinderdruckgradienten dar gestellt. Man erkennt, dass bei den dargestellten
drei verschiedenen Verbrennungslagen im Vergleich mit dem Diagramm
der 3 auch im Kurbelwellenwinkel bei einer sehr späten Verbrennung
das Maximum des Zylinderdrucks bzw. dessen Gradienten noch problemlos
festgestellt werden kann.
-
Da
die Zylinderdruckerfassung in der Regel winkelsynchron erfolgt,
muss die Hochpassfilterung des Hochpassfilterglieds relativ zur
Abtastfrequenz ausgelegt werden, so dass die Kompressions- und Expansionsanteile
des Drucksignals bzw. dessen Gradienten sicher unterdrückt werden.
Die tatsächliche
Grenzfrequenz des Hochpassfilterglieds 22 ist dann drehzahlabhängig. Vorzugsweise
filtert man den Zylinderdruck p phasenkompensiert.
-
Gemäß einer
Ausführungsform
kann die Tiefpassfilterung in dem Tiefpassfilterglied 20 und
die Hochpassfilterung in dem Hochpassfilterglied 22 innerhalb
eines einzelnen Signalverarbeitungsschritts mittels eines entsprechenden
Bandpassfilters vorgenommen werden.
-
Erfasst
man alternativ zur oben beschriebenen Ausführungsform das Zylinderdrucksignal
zeitsynchron, so muss die Grenzfrequenz des Hochpassfilterglieds 22 drehzahlabhängig festgelegt
werden. Legt man sie jedoch aus Ressourcengründen drehzahlunabhängig auf
einen festen Wert aus, so sollte die Grenzfrequenz vorzugsweise
so gewählt werden,
dass sie für
die höchste
auftretende Drehzahl die Kompressions- und Expansionsanteile des Signals
sicher unterdrückt.