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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft den Betrieb von Verbrennungsmotoren basierend auf einer in einem Motorsystem mit einem Verbrennungsmotor erfassten Zustandsgröße des Luftsystems und insbesondere Maßnahmen, die Zustandsgröße zur weiteren Verarbeitung in einem Motorsteuergerät zu filtern bzw. zu glätten.
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Stand der Technik
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Zum Betreiben eines Verbrennungsmotors ist das Erfassen einer oder mehrerer einen Luftstrom in einem Luftsystem betreffenden Zustandsgrößen, wie z. B. ein Massenstrom oder ein Druck, notwendig. Dieses wird als entsprechendes Sensorsignal an ein Motorsteuergerät bereitgestellt.
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In dem Luftsystem des Verbrennungsmotors kommt es jedoch aufgrund des regelmäßigen Öffnens und Schließens der Einlassventile zu Pulsationen in dem Strom zugeführter Frischluft. Durch das versetzte Spiel der Einlassventile überlagern sich die von den einzelnen Zylindern bewirkten Pulsationen und bilden eine Druckwelle im Luftsystem aus, dessen Amplitude von der Stellung der Drosselklappe, von der Stellung eines etwaigen Abgasrückführungsventils, der Geometrie von Leitungen des Luftsystems und der Motordrehzahl abhängt.
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Die Pulsation stellt eine Störgröße in der zu erfassenden Zustandsgröße dar, die durch Sensoren, beispielsweise den Luftmassensensor oder Drucksensoren, gemessen wird und die in dem Motorsteuergerät zur Steuerung des Verbrennungsmotors mit Hilfe von Aktuatoren, wie beispielsweise die Drosselklappe des Abgasrückführungsventils, das Wastegate-Ventil und dergleichen verwendet wird.
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Bei der Weiterverarbeitung der Zustandsgröße soll in der Regel die durch den Motorbetrieb bewirkte Pulsation unbeachtet bleiben. Die Luftströmung im Luftsystem beschreibende Zustandsgrößen werden daher durch ein digitales Filterkonzept in dem Motorsteuergerät vorverarbeitet.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß sind ein Verfahren zum Bestimmen eines gemittelten Sensorwerts einer Zustandsgröße eines Luftsystems für einen Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 1 sowie die Vorrichtung gemäß dem nebengeordneten Anspruch vorgesehen.
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Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Bestimmen eines gemittelten Sensorwerts einer Zustandsgröße eines Luftsystems für einen Verbrennungsmotor in einem Kraftfahrzeug vorgesehen, mit folgenden Schritten:
- – Erfassen und Zwischenspeichern von Sensorwerten mit einem vorgegebenen Abtastintervall während einer Segmentdauer der Zustandsgröße, wobei die Segmentdauer einer oder mehreren Perioden einer Pulsation der Zustandsgröße entspricht;
- – Ermitteln eines Mittelwerts der innerhalb der Segmentdauer erfassten Sensorwerte; und
- – Korrigieren des ermittelten Mittelwerts der Sensorwerte mit einer Korrekturgröße, die von dem Zeitunterschied zwischen der Segmentdauer und einem Vielfachen des Abtastintervalls abhängt.
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Üblicherweise werden Zustandsgrößen eines Luftsystems eines Verbrennungsmotors, die z. B. einen Druck oder einen Massenstrom einer Gasströmung insbesondere einer Luftströmung betreffen, in dem Motorsteuergerät des Verbrennungsmotors in geeigneter Weise rechnerisch gefiltert, insbesondere indem diese gemittelt werden. Die Mittelung erfolgt über eine Segmentdauer oder mehrere Segmentdauern. Als Segmentdauer wird die Zeitdauer bezeichnet, die einer Schwingungsperiode der Pulsationen (Pulsationsperiode) des Gases in dem Luftsystem des Verbrennungsmotors entspricht. Das Motorsteuergerät erhält die Sensorwerte des betreffenden Sensors für die Zustandsgröße zu regelmäßigen Abfragezeitpunkten entsprechend den Abtastintervallen und mittelt diese über die eine oder die mehreren Segmentdauer.
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Da die Motordrehzahl eine kontinuierliche Größe darstellt, kann auch die Segmentdauer kontinuierlich variieren. Da die Zustandsgröße zu festgelegten Zeitpunkten abgetastet wird, kann eine Abweichung zwischen der Segmentdauer und der Auswerteperiode auftreten, die der Zeitdauer entspricht, in der die Sensorwerte des Sensors für die Zustandsgröße innerhalb der Segmentdauer berücksichtigt werden. Diese Abweichung verursacht einen so genannten Restflächenfehler bei der Mittelwertbildung, da die diskreten Sensorwerte am Anfang und Ende der Abtastperiode dabei nicht angemessen gewichtet werden. Somit tritt ein Jitter aufgrund der Abweichung zwischen der Auswerteperiode und der Segmentdauer auf, so dass die Übertragungsfunktion des Mittelungsfilters ebenfalls mit einem Jitter behaftet ist. Dadurch fällt die Dämpfung der Pulsationsfrequenz durch die Mittelungsfunktion geringer aus als es wünschenswert wäre.
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Der sich ergebende Restflächenfehler hängt von der Pulsationsamplitude der Pulsationsfrequenz und der zeitlichen Abweichung zwischen dem Anfang und Ende der Segmentdauer und den Zeitpunkten des ersten und letzten in der Segmentdauer zu berücksichtigenden Sensorwerts ab. Aufgrund des Zeitbezugs kann der Fehler nicht durch eine Pulsationskorrektur korrigiert werden und führt daher zu zusätzlichen Signaltoleranzen und verschlechtert das Signal-Rausch-Verhältnis des verarbeiteten Sensorsignals.
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Eine Idee des obigen Verfahrens besteht darin, den Fehler bei der Mittelung einer aufgrund des Taktbetriebs des Verbrennungsmotors pulsierenden Sensorgröße durch die entstehenden Unterschiede zwischen der einen oder den mehreren Segmentdauern und der Auswerteperiode zu korrigieren. Dazu wird in der Mittelung eine Restzeit als Differenz zwischen der Segmentdauer und der Auswerteperiode bei der Mittelung entsprechend berücksichtigt. Dadurch kann die zusätzliche Signaltoleranz aufgrund des Unterschieds zwischen der Mittelung über die Auswerteperiode und der in der Regel größeren Segmentdauer reduziert werden und der Signal-Rausch-Abstand verbessert werden.
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Weiterhin kann die Segmentdauer des aktuellen Segments abhängig von einer aktuellen Drehzahl des Verbrennungsmotors bestimmt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann der Korrekturwert abhängig von demjenigen Messwert bestimmt werden, der unmittelbar vor einem Anfangszeitpunkt liegt, der sich aus einem Endzeitpunkt, zu dem nach einem Ende der Segmentdauer ein Sensorwert erfasst werden soll, abzüglich der Segmentdauer ergibt.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Korrekturwert abhängig von einer Korrekturzeitdauer bestimmt wird, die sich aus dem Zeitunterschied zwischen der Segmentzeitdauer und einer Zeitdauer ergibt, die durch das Produkt des Abtastintervalls und der Anzahl von erfassten Sensorwerten zwischen dem Anfangszeitpunkt und dem Endzeitpunkt bestimmt ist.
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Insbesondere kann die Zustandsgröße einem Gasmassenstrom oder einem Druck in dem Luftsystem des Verbrennungsmotors entsprechen.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Ermitteln des Mittelwerts und das Korrigieren des ermittelten Mittelwerts bei Erreichen eines Endes der Segmentdauer durchgeführt wird, die durch einen vorbestimmten Kurbelwellenwinkel einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors vorgegeben ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung, insbesondere ein Motorsteuergerät, zum Bestimmen eines gemittelten Sensorwerts einer Zustandsgröße eines Luftsystems für einen Verbrennungsmotor in einem Kraftfahrzeug vorgesehen, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um:
- – Sensorwerte mit einem vorgegebenen Abtastintervall während einer oder mehreren Segmentdauern der Zustandsgröße zu erfassen und zwischenzuspeichern, wobei die Segmentdauer einer Periode einer Pulsation der Zustandsgröße entspricht;
- – einen Mittelwert der innerhalb der einen oder den mehreren Segmentdauern erfassten Sensorwerte zu ermitteln;
- – den ermittelten Mittelwert der Sensorwerte mit einer Korrekturgröße zu korrigieren, die von dem Zeitunterschied zwischen der einen oder den mehreren Segmentdauern und einem Vielfachen des Abtastintervalls abhängt.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Motorsystems mit Strömungs- und Drucksensoren, dessen Sensorwerte aufgrund des im Viertaktbetrieb betriebenen Verbrennungsmotors pulsieren;
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2 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Ermitteln eines gefilterten Sensorsignals; und
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3 ein Sensorsignal-Zeit-Diagramm mit Angabe der Auswerteperiode und der Segmentdauer.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt schematisch ein Motorsystem 1 mit einem Verbrennungsmotor 2. Der Verbrennungsmotor 2 weist Zylinder 3 auf, denen Luft über ein Luftsystem 4 zugeführt wird und aus denen Verbrennungsabgas über einen Abgasabführungstrakt 5 abgeführt wird.
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Es kann eine Aufladeeinrichtung 6 vorgesehen sein, die eine Turbine 61 im Abgasabführungstrakt 5 aufweist, um Abgasenthalpie in mechanische Energie umzusetzen und diese zum Antreiben eines Verdichters 62 zu verwenden. Der Verdichter 62 ist im Luftsystem 4 angeordnet und dient dazu, Frischluft über einen Luftfilter 41 aus der Umgebung anzusaugen und über einen Ladeluftkühler 7 in einem Ladedruckabschnitt 42 des Luftzuführungssystems 4 bereitzustellen. Der Ladedruckabschnitt 42 wird stromabwärts von einer Drosselklappe 8 begrenzt. Zwischen der Drosselklappe 8 und den Einlassventilen der Zylinder 3 des Verbrennungsmotors 2 ist ein Saugrohrabschnitt 43 vorgesehen.
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Es kann weiterhin alternativ oder zusätzlich eine Abgasrückführungsleitung 9 vorgesehen sein, die den Abgasabführungstrakt 5 in einem Bereich zwischen den Auslassventilen des Verbrennungsmotors 2 und der Turbine 61 der abgasgetriebenen Aufladeeinrichtung 6 mit dem Saugrohrabschnitt 43 des Luftzuführungssystems 4 verbindet. In der Abgasrückführungsleitung 9 ist ein Abgasrückführungsventil 91 vorgesehen, das variabel steuerbar ist, um einen Abgasmassenstrom in den Saugrohrabschnitt 43 einzustellen.
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Das obige Motorsystem 1 umfasst weiterhin ein Motorsteuergerät 15, das abhängig von über Sensoren erfasste Zustandsgrößen und unter Vorgabe eines Soll-Drehmoments eine Ansteuerung des Verbrennungsmotors 2 vornimmt, insbesondere durch Vorgabe von Stellgrößen an Stellgeber, wie z. B. die Drosselklappe 8 und das Abgasrückführungsventil 91, der Öffnungs- und Schließzeiten der Einlass- und Auslassventile an den Zylindern 3 und dergleichen.
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Die oben beschriebene Konfiguration eines Motorsystems 1 mit einem Verbrennungsmotor ist nur exemplarisch und das nachfolgend Beschriebene kann auch in Motorsystemen mit Verbrennungsmotoren ohne Aufladeeinrichtung und/oder ohne Abgasrückführung verwendet werden.
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Zum Betreiben des Verbrennungsmotors 2 erhält das Motorsteuergerät 15 Sensorgrößen von in dem Motorsystem 1 angeordneten Sensoren, wie beispielsweise einem Massenstromsensor 10, einem Saugrohrdrucksensor 11, einem Abgasdrucksensor 12 und dergleichen. Das Motorsteuergerät 15 steuert basierend auf den Sensorwerten und daraus modellierten Zustandsgrößen den Verbrennungsmotor 2 in bekannter Weise an, um ein gewünschtes Drehmoment bereitzustellen.
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Aufgrund des Viertaktbetriebs des Verbrennungsmotors 2 sind alle Sensorwerte von Sensorgrößen, die Gasmassenströme oder -drücke betreffen, von Pulsationen beaufschlagt, die sich aus dem Ventilspiel von Einlass- und Auslassventilen der Zylinder 3 des Verbrennungsmotors 2 ergeben.
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In dem Flussdiagramm der 2 wird nachfolgend ein Verfahren zum Bereitstellen einer gefilterten Sensorgröße beschrieben. Dazu soll die Sensorgröße so gefiltert sein, dass die durch die Pulsationen der gemessenen Zustandsgröße bewirkten periodischen Schwankungen der Sensorwerte eliminiert werden.
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In Schritt S1 wird ein Sensorwert der auszuwertenden Sensorgröße erfasst und im Motorsteuergerät 15 gespeichert. Eine Darstellung eines Verlaufs des Luftmassenstroms ist anhand von aufeinanderfolgend erfassten Sensorwerten m in 3 dargestellt. In Verbindung mit dem nachfolgend erläuterten Schritt S3 werden die Sensorwerte zyklisch zu vorgegebenen Zeitpunkten, d. h. in regelmäßigen Abtastintervallen Δt, beispielsweise in jeder Millisekunde, abgetastet, erfasst und gespeichert. Da bis zur Erfassung eines jeweils nächsten Sensorwerts keine weiteren Angaben über die Sensorgröße zur Verfügung stehen, wird ein konstanter Verlauf bis zur Erfassung des nächsten Sensorwertes angenommen. Es ergibt sich so der dargestellte treppenförmige Verlauf der Sensorgröße.
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Weiterhin wird in Schritt S2 eine aktuelle Segmentdauer Tsegment bereitgestellt, die sich aus der Motordrehzahl D aufgrund des Viertaktbetriebs des Verbrennungsmotors 2 wie folgt ergibt: TSegment = 60·2 / D·cyl wobei cyl der Anzahl der Zylinder des Verbrennungsmotors 2 entspricht.
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Im Schritt S3 wird überprüft, ob ein Endzeitpunkt des aktuellen Segments erreicht worden ist. Dies kann durch eine Abfrage des in dem Motorsteuergerät üblicherweise genau bereitgestellten Kurbelwellenwinkel erfolgen. Insbesondere ergibt sich die Segmentdauer aus der Anzahl der Verbrennungstakte in den Zylindern 3 während zwei Umdrehungen der Kurbelwelle. Somit lässt sich ein bestimmter Endzeitpunkt des Segments bestimmten Kurbelwinkeln zuordnen. Die Endzeitpunkte entsprechen den Zeitpunkten, zu denen die Kurbelwellenwinkel einen der Winkel 720°/cyl erreichen, wobei k = 1...cyl ist.
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Wird in Schritt S3 festgestellt, dass ein bestimmter Kurbelwellenwinkel erreicht oder überschritten worden ist (Alternative: ja), so wird das Verfahren mit Schritt S4 fortgesetzt, anderenfalls (Alternative: nein) wird zu Schritt S1 zurückgesprungen.
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Nachfolgend wird nun aus den während des vergangenen Segments erfassten Sensorwerten ein Mittelwert bestimmt, um eine gefilterte Sensorgröße bereitzustellen. Die zu diesem Zeitpunkt erfassten Sensorwerte entsprechen m(tn), m(tn+1), ..., m(tp), wobei n, n + 1...p einem Zähler der nacheinander zu jedem Abtastzeitpunkt innerhalb des Segments erfassten Sensorwerte entspricht.
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Wenn nicht das Ende der Segmentdauer mit einem festgesetzten Abtastzeitpunkt für die Sensorgröße zusammenfällt, wird in Schritt S4 der Segmentwechsel virtuell auf den Zeitpunkt tp+1 des als nächstes zu erfassenden Sensorwerts verschoben, so dass die Gültigkeit des diskreten, zuletzt erfassten Sensorwerts m(tp) vollständig zu dem neuen virtuellen Segment gehört. Im Prinzip wird das Ende des Segments, in dem ein Mittelwert aus den erfassten Sensorwerten bestimmt werden soll, auf einen Endzeitpunkt te eines virtuellen Segments verschoben, der sich als ein Zeitpunkt tp + Δt ergibt, wobei der Zeitpunkt tp dem Zeitpunkt des zuletzt innerhalb des Segments erfassten Sensorwertes m(tp) und Δt den Abtastintervallen des Sensors bzw. 1 / Δt der Abtastfrequenz entsprechen.
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Es wird nun in einem weiteren Schritt S5 zunächst aus dem Endzeitpunkt te des virtuellen (d. h. verschobenen) Segments mithilfe der Segmentdauer TSegment der Anfangszeitpunkt ta des virtuellen Segments bestimmt. Anschließend wird derjenige Sensorwert bestimmt, der unmittelbar vor dem virtuellen Anfangszeitpunkt ta des Segments erfasst worden ist. Dies kann je nach der aktuellen Segmentdauer TSegment und dem Abtastintervall Δt der Sensorwert m(tn-1) oder m(tn) sein.
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Nun wird in Schritt S6 eine Korrekturzeitdauer Δtn, Δtn-1 zwischen dem virtuellen Anfangszeitpunkt ta = te – TSegment des verschobenen virtuellen Segments und dem Messzeitpunkt eines als nächstes darauffolgenden Messzeitpunktes, an dem ein Sensorwert erfasst worden ist, bestimmt, wie folgt:
Fall 1:
Δtn = TSegment – (p – n)Δt, wenn sich der erste im Segment erfasste Messwert m(tn) nach der Verschiebung des Segments außerhalb des virtuellen Segments befindet und
Fall 2:
Δtn-1 = TSegment – (p + 1 – n)Δt, wenn sich der erste im Segment erfasste Messwert m(tn) nach der Verschiebung des Segments innerhalb des virtuellen Segments befindet.
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In den obigen Gleichungen entsprechen p einem Zähler des ersten innerhalb des Segments erfassten Sensorwerts m(tp) und n einem Zähler des zuletzt innerhalb des Segments erfassten Sensorwerts m(tn).
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In Schritt S7 wird nun der Mittelwert der Sensorgrößen über alle relevanten Sensorwerte wie folgt ermittelt:
Für den Fall 1:
Für den Fall 2:
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Durch die obige Formel werden alle Sensorwerte, die vollständig innerhalb des virtuellen Segments liegen, mit dem Abtastintervall Δt gewichtet, während der Sensorwert, der vor dem virtuellen Anfangszeitpunkt t
a des Segments erfasst worden ist, mit der zuvor im Schritt S6 berechneten Zeitdifferenz gewichtet wird. Die Summe wird entsprechend durch die Segmentdauer T
Segment dividiert, so dass man einen Mittelwert der Sensorwerte erhält, der eine additive Korrekturgröße
beinhaltet. Mit der so gemittelten Sensorgröße
m können nun weitere Berechnungen im Motorsteuergerät vorgenommen werden.
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Das Ermitteln der Korrekturgröße durch das virtuelle Verschieben des Segments ermöglicht eine vereinfachte Berechnung, da ansonsten die zeitlichen Diskretisierungsfehler sowohl zum Anfangszeitpunkt des Segments als auch zum Endzeitpunkt des Segments berücksichtigt werden müssen. Bei dem oben beschriebenen Verfahren ist es nicht notwendig, die genauen Anfangs- und Endzeitpunkte des Segments zu erhalten, und es ist lediglich ausreichend, über die Motordrehzahl n die Segmentdauer TSegment zu bestimmen.
