DE102009043431A1

DE102009043431A1 - Verfahren zum Bestimmen einer Korrektur für einen gemessenen Brennraumdruck

Info

Publication number: DE102009043431A1
Application number: DE102009043431A
Authority: DE
Inventors: Jens Dr. Jeschke; Jan Piewek; Hans-Georg Dr. Nitzke; Andreas Wagner
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2009-09-29
Filing date: 2009-09-29
Publication date: 2011-03-31
Anticipated expiration: 2029-09-30
Also published as: DE102009043431B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Korrektur für einen gemessenen Brennraumdruck in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine. Hierbei wird ein gemessener Druckverlauf über einen Kurbelwinkel φ für eine Kompressionsphase von einem Kurbelwinkel φam Beginn der Kompressionsphase bis zu einem Kurbelwinkel φam Ende der Kompressionsphase mit einem berechneten, modellierten Druckverlauf über den Kurbelwinkel φ für die Kompressionsphase von φbis φverglichen, und es werden aus einem Differenzverlauf über den Kurbelwinkel φ für die Kompressionsphase von φbis φdes gemessenen Druckverlaufes und des modellierten Druckverlaufes ein Wert für eine Amplitudenkorrektur Δpund ein Wert für eine Kubelwinkelkorrektur Δφals Korrektur für den gemessenen Brennraumdruck derart bestimmt, dass der Differenzverlauf minimiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Korrektur für einen gemessenen Brennraumdruck in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
In einem zylinderdruckbasierten Motorsteuerungssystem werden die Zylinderdruckverläufe durch Sensoren erfasst und dem Kurbelwinkel φ zugeordnet. Es wird dabei von folgenden Randbedingungen ausgegangen. Die Signale der Zylinderdrucksensoren sind in ihrer Absolutlage (Amplitude) verschoben und die Signale haben durch Vorverarbeitung im Sensor und im Steuergerät einen zeitlichen Verzug zu ihrer Entstehung, d. h. zum Kurbelwinkel φ. Dieser Verzug setzt sich aus einem Zeitanteil (Laufzeit) und einem Winkelverzug (Winkelfehler) zusammen. Die Absolutlage (Amplitudenoffset) des Signals wird für jedes Arbeitsspiel mit einem thermodynamischen Vergleichsmodell bestimmt und kompensiert. Für die Kompensation von Laufzeit und Winkelfehler (Lageoffset) wird die Erfassung in einem bestimmten Zustand des Motors (Schubbetrieb ohne Einspritzung) detailliert beobachtet. Anhand der OT-Lage wird der Winkelversatz zu einer gespeicherten Referenzlage (thermodynamische Verlustkennlinie) bestimmt. Durch Wiederholmessungen bei verschiedenen Drehzahlen kann dann der Winkel- und der Zeitversatz durch Geradenapproximation ermittelt werden (Steigung = Zeit/Offset Winkel).
Der entscheidende Nachteil dieses Vorgehens ist, dass die oben genannte Referenzlage in dem Referenzmotorbetriebszustand „Schub” ermittelt wird und dieser Referenzzustand in modernen Motorkonzepten immer seltener zur Verfügung stehen wird, z. B. wegen Hybridantrieben, Start/Stop-Funktionen, etc. Somit wird eine Überwachung und Korrektur des Zylinderdrucksignals in der Zeitebene immer schwieriger durchzuführen sein. Zudem beeinflusst die zeitliche Zuordnung des Zylinderdrucksignals das Ergebnis der Offsetkorrektur.
Aus der DE 10 2004 045 151 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung eines Brennraumdruckes in einem Verbrennungsmotor bekannt, wobei mittels eines Modells bei jedem erfasstem Messwert eines Brennraumdruckes ein Fehler korrigiert wird, welcher auf Grund eines Thermoschockes des Drucksensors auftritt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der o. g. Art dahingehend zu verbessern, dass ein gemessenes Zylinderdrucksignal sowohl in seiner zeitlichen Lage als auch in seinem Absolutbetrag unabhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine, also auch bei aktiver Verbrennung bzw. im befeuerten Betrieb, korrigiert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der o. g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Dazu ist es bei einem Verfahren der o. g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein gemessener Druckverlauf über einen Kurbelwinkel φ für eine Kompressionsphase von einem Kurbelwinkel φ₁ am Beginn der Kompressionsphase, beispielsweise am Beginn des Kompressionstaktes, bis zu einem Kurbelwinkel φ₂ am Ende der Kompressionsphase, beispielsweise am Ende des Kompressionstaktes, mit einem berechneten, modellierten Druckverlauf über den Kurbelwinkel φ für die Kompressionsphase von φ₁ bis φ₂ verglichen und aus einem Differenzverlauf über den Kurbelwinkel φ für die Kompressionsphase von φ₁ bis φ₂ des gemessenen Druckverlaufes und des modellierten Druckverlaufes ein Wert für eine Amplitudenkorrektur Δp_Korr und ein Wert für eine Kurbelwinkelkorrektur Δφ_Korr als Korrektur für den gemessenen Brennraumdruck derart bestimmt wird, dass der Differenzverlauf minimiert wird.
Dies hat den Vorteil, dass sowohl die zeitliche als auch die absolute Korrektur miteinander verbunden sind und auch im gefeuerten Motorbetrieb eine zeitliche Korrektur des Zylinderdrucksignals möglich ist.
Eine besonders genaue Korrektur des gemessenen Brennraumdruckes erzielt man dadurch, dass folgende Schritte vorgesehen sind,

(a) Messen eines unkorrigierten Druckverlaufes im Brennraum während einer Kompressionsphase in Abhängigkeit von einem Kurbelwinkel φ;
(b) Bestimmen eines modellierten, theoretischen Druckverlaufes im Brennraum für die Kompressionsphase in Abhängigkeit von dem Kurbelwinkel φ aus der Gleichung
wobei κ der Isentropenindex, p₁ ein Druck im Brennraum zu Beginn der Kompressionsphase, V₁, ein Volumen des Brennraumes zu Beginn der Kompressionsphase, p₂(φ) ein Druck im Brennraum bei dem Kurbelwinkel φ und V₂(φ) ein Volumen des Brennraumes bei dem Kurbelwinkel φ ist;
(c) Bestimmen ab einem vorbestimmten Kurbelwinkel φ_Verlust einer Abweichung des modellierten Druckverlaufes von einer realen Kompression aufgrund thermodynamischer Verluste der Kompression mittels eines Verlustmodells in Abhängigkeit von mindestens einer vorbestimmten Eingangsgröße;
(d) Bestimmen eines modellierten, verlustkompensierten Druckverlaufes für die Kompressionsphase in Abhängigkeit von dem Kurbelwinkel φ aus dem in Schritt (b) bestimmten modellierten Druckverlauf und der in Schritt (c) bestimmten Abweichung;
(e) Bestimmen eines Differenzverlaufes über den Kurbelwinkel φ für die Kompressionsphase zwischen dem in Schritt (a) gemessenen Druckverlauf über den Kurbelwinkel φ und dem in Schritt (d) bestimmten modellierten, verlustkompensierten Druckverlauf über den Kurbelwinkel φ;
(f) Bestimmen eines Wertes für eine Amplitudenkorrektur Δp_Korr und eines Wertes für eine Kurbelwinkelkorrektur Δφ_Korr als Korrektur für den gemessenen Brennraumdruck derart, dass der in Schritt (e) bestimmte Differenzverlauf minimiert wird.

Eine besonders gute Bestimmung der Abweichung in Schritt (c) erzielt man dadurch, dass die vorbestimmte Eingangsgröße in Schritt (c) eine Zylinderladungsmasse, eine Zylinderladungszusammensetzung, insbesondere ein Anteil an rückgeführtem Abgas (AGR), eine Zylinderladungstemperatur, eine Wandtemperatur, eine Restgasmasse und/oder eine Restgastemperatur umfasst.
Eine besonders gute Bestimmung der Korrektur für einen gemessenen Brennraumdruck erzielt man dadurch, dass die Amplitudenkorrektur Δp_Korr und die Kurbelwinkelkorrektur Δφ_Korr für den minimalen Differenzverlauf mittels eines numerischen Verfahrens, insbesondere mittels einer Kreuzkorrelation, einer Signalverschiebung und/oder einer Regression, bestimmt werden.
Die erfindungsgemäß angesprochene Kompressionsphase von dem Kurbelwinkel φ₁ bis zum Kurbelwinkel φ₂ ist bevorzugt ca. 100° bis 180° Kurbelwinkel der Brennkraftmaschine breit. Dabei erstreckt sie sich insbesondere über den gesamten Kompressionstakt der Brennkraftmaschine, d. h. über 180°. Das erfindungsgemäße Verfahren findet jedoch auch in einer Kompressionsphase Anwendung, die geringer als die erwähnten 180° Kurbelwinkel breit ist. Dabei ist die Lage des durch φ₁ und φ₂ definierten Kurbelwinkelfensters im gesamten Kompressionstakt in Abhängigkeit der vorherrschenden Randbedingungen frei verschiebbar.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in der einzigen Fig. ein Flussdiagramm einer beispielhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Bei der in der einzigen Fig. dargestellten, bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in einem Modell 10 ein modellierter, verlustkompensierter Druckverlauf 12 p_2,modelliert(φ) über einen Kurbelwinkel φ eines Druckes p₂ in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine für eine Kompressionsphase von einem Kurbelwinkel φ₁ am Beginn der Kompressionsphase bis zu einem Kurbelwinkel φ₂ am Ende der Kompressionsphase berechnet. In einer Zylinderdruckerfassung 14 wird ein gemessener Druckverlauf 16 p_2,gemessen(φ) über den Kurbelwinkel φ des Druckes p₂ in dem Brennraum der Brennkraftmaschine für die Kompressionsphase von dem Kurbelwinkel φ₁ am Beginn der Kompressionsphase bis zu dem Kurbelwinkel φ₂ am Ende der Kompressionsphase bestimmt. Der gemessene Druckverlauf p_2,gemessen(φ) wird ggf. in einem Block 18 korrigiert, sofern bereits Korrekturwerte vorliegen, und in einem Korrekturblock 20 bei 22 mit dem berechneten, modellierten, verlustkompensierten Druckverlauf 12 p_2,modelliert(φ) verglichen. Aus diesem Vergleich wird in Block 24 ein Differenzverlauf 26 über den Kurbelwinkel φ für die Kompressionsphase von dem Kurbelwinkel φ₁ am Beginn der Kompressionsphase bis zu dem Kurbelwinkel φ₂ am Ende der Kompressionsphase bestimmt. Aus diesem Differenzverlauf 26 über den Kurbelwinkel φ werden in Block 28 ein Wert für eine Amplitudenkorrektur Δp_Korr und ein Wert für eine Kurbelwinkelkorrektur Δφ_Korr als Korrektur für den gemessenen Brennraumdruck derart bestimmt, dass der Differenzverlauf 26 minimiert wird. Diese Korrekturwerte werden dem Block 18 zur Korrektur des gemessenen Druckverlaufes 16 zugeführt und gleichzeitig dafür verwendet, einen aktuell gemessenen Druckwert (hierin auch Brennraumdruck genannt) zu korrigieren. Ein derart korrigierter, gemessener aktueller Druckwert 30 für einen Druck p₂ in einem Brennraum der Brennkraftmaschine wird der Zylinderdruckerfassung entnommen und einer Zylinderdruckauswertung (nicht dargestellt), zugeführt.
Der modellierte Druckverlauf p_2,modelliert(φ) der reinen Verdichtung (Kompression) der angesaugten Ladungsmasse vom Kurbelwinkel φ₁ am Beginn der Kompressionsphase bis zu dem Kurbelwinkel φ₂ am Ende der Kompressionsphase in einem Brennraum wird in einem Block 32 des Modells 10 unter Annahme einer idealen Kompression mittels der folgenden Gleichung näherungsweise bestimmt:
Hierbei ist κ der Isentropenindex, p₁ ein Druck im Brennraum zu Beginn der Kompressionsphase, V₁ ein Volumen des Brennraumes zu Beginn der Kompressionsphase, p₂(φ) ein Druck im Brennraum bei dem Kurbelwinkel φ und V₂(φ) ein Volumen des Brennraumes bei dem Kurbelwinkel φ.
Ab einem vorbestimmten Kurbelwinkel φ_Verlust ändern sich die thermischen Bedingungen (Wärmeübergang/Änderung der Stoffwerte) derart, dass die ideale Kompression gemäß Block 32 nicht ausreichend genau das Verhalten des Druckverlaufes während der Kompressionsphase beschreibt. Mit einem Verlustmodell 34 werden im Modell 10 die verschiedenen Einflüsse auf die thermodynamischen Verluste der Kompression, die letztendlich einen thermodynamischen Verlustwinkel Δφ bedingen, abhängig von den maßgeblichen Eingangsgrößen, wie beispielsweise Zylinderladungsmasse, Zylinderladungszusammensetzung (AGR), Zylinderladungstemperatur, Wandtemperatur, Restgasmasse, Restgastemperatur sowie weiter hier nicht genannte Größen, modelliert, d. h. nmerisch im Steuergerät abgelegt. Durch Überlagerung beider Grundmodelle 32 und 34 erhält man den modellierten, verlustkompensierten Druckverlauf 12 des Zylinderdrucks der Kompression, der dem der realen Kompression sehr nahe kommt und welcher mit dem Zylinderdrucksensor gemessen werden müsste.
Durch Vergleich von modelliertem Zylinderdruckverlauf 12 und gemessenem sowie ggf. korrigiertem (Block 18) Zylinderdruckverlauf 16 wird in Block 24 die Differenzkurve 26 (Fehlerkurve) der Kompression ermittelt, die die aktuellen Abweichungen der erfassten Zylinderdruckkurve 16 in Absolutlage (Amplitudenoffset Δp) und zeitlichen Verzug (Lageoffset Δφ) beinhaltet. Durch eine geeignete numerische Methode (Kreuzkorrelation/Signalverschiebung/Regression) wird die Differenzkurve 26 nun minimiert, indem auf die erfasste Zylinderdruckkurve 16 ein Offset sowohl in zeitlicher (Δφ_Korr) als auch in absoluter (Δp_Korr) Dimension angewendet wird. Solange der Fehler der Differenzkurve 26 minimal ist, werden sowohl Amplitudenoffset als auch Lageoffset der Zylinderdruckerfassung 14 durch die Korrekturwerte Amplitudenkorrektur Δp_Korr und Kurbelwinkelkorrektur Δφ_Korr optimal korrigiert. Zusammengefasst wird die gemessene Zylinderdruckkurve 16 möglichst exakt in eine modellierte Kompressionskurve 12 eingepasst.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt auch im gefeuerten Motorbetrieb eine zeitliche Korrektur des Zylinderdrucksignals. Im Unterschied zum Stand der Technik, bei dem der Motor ohne Verbrennung betrieben werden muss, also die Kompression und die Expansion ohne Einspritzung bzw. Verbrennung erfolgen, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Bereich eines Arbeitsspiels, nämlich die Kompression, ausgewählt, bei der weder Verbrennung noch Einspritzung erfolgt. Die Verbrennung kann aber im weiteren Verlauf des Arbeitsspiels erfolgen und einen beliebigen Expansionsverlauf erzeugen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004045151 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Bestimmen einer Korrektur für einen gemessenen Brennraumdruck in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass ein gemessener Druckverlauf über einen Kurbelwinkel φ für eine Kompressionsphase von einem Kurbelwinkel φ₁ am Beginn der Kompressionsphase bis zu einem Kurbelwinkel φ₂ am Ende der Kompressionsphase mit einem berechneten, modellierten Druckverlauf über den Kurbelwinkel φ für die Kompressionsphase von φ₁ bis φ₂ verglichen wird und aus einem Differenzverlauf über den Kurbelwinkel φ für die Kompressionsphase von φ₁ bis φ₂ des gemessenen Druckverlaufes und des modellierten Druckverlaufes ein Wert für eine Amplitudenkorrektur Δp_Korr und ein Wert für eine Kurbelwinkelkorrektur Δφ_Korr als Korrektur für den gemessenen Brennraumdruck derart bestimmt werden, dass der Differenzverlauf minimiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Schritte, (a) Messen eines unkorrigierten Druckverlaufes im Brennraum während einer Kompressionsphase in Abhängigkeit von einem Kurbelwinkel φ; (b) Bestimmen eines modellierten, theoretischen Druckverlaufes im Brennraum für die Kompressionsphase in Abhängigkeit von dem Kurbelwinkel φ aus der Gleichung
wobei κ der Isentropenindex, p₁ ein Druck im Brennraum zu Beginn der Kompressionsphase, V₁ ein Volumen des Brennraumes zu Beginn der Kompressionsphase, p₂(φ) ein Druck im Brennraum bei dem Kurbelwinkel φ und V₂(φ) ein Volumen des Brennraumes bei dem Kurbelwinkel φ ist; (c) Bestimmen ab einem vorbestimmten Kurbelwinkel φ_Verlust einer Abweichung des modellierten Druckverlaufes von einer realen Kompression aufgrund thermodynamischer Verluste der Kompression mittels eines Verlustmodells in Abhängigkeit von mindestens einer vorbestimmten Eingangsgröße; (d) Bestimmen eines modellierten, verlustkompensierten Druckverlaufes für die Kompressionsphase in Abhängigkeit von dem Kurbelwinkel φ aus dem in Schritt (b) bestimmten modellierten Druckverlauf und der in Schritt (c) bestimmten Abweichung; (e) Bestimmen eines Differenzverlaufes über den Kurbelwinkel φ für die Kompressionsphase zwischen dem in Schritt (a) gemessenen, unkorrigierten Druckverlauf über den Kurbelwinkel φ und dem in Schritt (d) bestimmten, modellierten, verlustkompensierten Druckverlauf über den Kurbelwinkel φ; (f) Bestimmen eines Wertes für eine Amplitudenkorrektur Δp_Korr und eines Wertes für eine Kurbelwinkelkorrektur Δφ_Korr als Korrektur für den gemessenen Brennraumdruck derart, dass der in Schritt (e) bestimmte Differenzverlauf minimiert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Eingangsgröße in Schritt (c) eine Zylinderladungsmasse, eine Zylinderladungszusammensetzung insbesondere ein Anteil an rückgeführtem Abgas (AGR), eine Zylinderladungstemperatur, eine Wandtemperatur, eine Restgasmasse und/oder eine Restgastemperatur umfasst.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitudenkorrektur Δp_Korr und die Kurbelwinkelkorrektur Δφ_Korr für den minimalen Differenzverlauf mittels eines numerischen Verfahrens, insbesondere mittels einer Kreuzkorrelation, einer Signalverschiebung und/oder einer Regression, bestimmt werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompressionsphase ca. 100 Grad bis 180 Grad Kurbelwinkel der Brennkraftmaschine breit ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompressionsphase mit dem Kompressionstakt der Brennkraftmaschine übereinstimmt.