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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Signalversatzes zwischen einem Kurbelwellenwinkelsignal und einem Brennraumdrucksignal bei einer Brennkraftmaschine, bei welchen ein aktuell gemessener Brennraumdruckverlauf mit einem berechneten, modellierten Brennraumdruckverlauf verglichen wird sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Stand der Technik
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Bei Brennkraftmaschinen treten Signalversätze zwischen einem Kurbelwellenwinkelsignal und einem Brennraumdrucksignal auf, welche als OT-Fehler bezeichnet werden. Ein auftretender OT-Fehler wirkt sich auf die in Abhängigkeit des Brennraumdruckes gesteuerten Verbrennungen der Brennkraftmaschine nachteilig aus. Um diesen Signalversatz zu korrigieren, werden im Schleppbetrieb Kurbelwinkelpositionen des maximalen Brennraumdruckes mit Kurbelwinkelpositionen in Situationen ohne OT-Fehler verglichen. Die Situationen, in welchen die Brennkraftmaschine sich in einem Schleppbetrieb befindet werden immer seltener, weshalb die Korrekturmöglichkeiten für den OT-Fehler begrenzt sind.
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Aus der
DE 10 2009 043 431 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung einer Korrektur für einen gemessenen Brennraumdruck bekannt, bei welchem ein Druckverlauf über einen Kurbelwellenwinkel φ
1 am Beginn einer Kompressionsphase bis zu einem Kurbelwellenwinkel φ
2 am Ende der Kompressionsphase bestimmt und mit einem berechneten modellierten Druckverlauf für die Kompressionsphase von
verglichen wird. Aus einem Differenzverlauf über dem Kurbelwinkel φ in der Kompressionsphase von φ
1 bis φ
2 des gemessenen Druckverlaufes und des modellierten Druckverlaufes werden ein Wert für eine Amplitudenkorrektur des Brennraumdruckes und ein Wert für eine Kurbelwellenwinkelkorrektur des gemessenen Brennraumdruckes bestimmt.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung eines Signalversatzes zwischen einem Kurbelwellenwinkelsignal und einem Brennraumdrucksignal anzugeben, welcher während allen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine zuverlässig bestimmt werden kann.
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Erfindungsgemäß ist die Aufgabe dadurch gelöst, dass der aktuell gemessene Brennraumdruckverlauf gegenüber dem berechneten, modellierten Brennraumdruckverlauf entlang eines Kurbelwellenwinkels zur Erzeugung eines künstlichen Signalversatzes verschoben wird und von diesem verschobenen Brennraumdruckverlauf eine Rekonstruktionsqualität bestimmt wird, indem aus dem künstlichen Signalversatz entlang des Kurbelwellenwinkels der verschobenen aktuell gemessenen Brennraumdruckkurve ein Rekonstruktionsfehler als Maß für den Signalversatz zwischen Kurbelwellenwinkelsignal und Brennraumdrucksignal ermittelt wird. Diese Vorgehensweise ist unabhängig vom aktuellen Betriebszustand der laufenden Brennkraftmaschine, so dass der effektive Signalversatz jederzeit zuverlässig bestimmt werden kann. Mittels dieses künstlichen Signalversatzes lässt sich deutlich der Unterschied zu dem tatsächlich gemessenen Brennraumdruckverlauf bestimmen. Um sich dem tatsächlichen, zu bestimmenden Signalversatz des gemessenen Brennraumdruckverlaufes anzunähern, wird die gemessene Brennraumdruckkurve sowohl in positiver als auch in negativer Richtung entlang des Kurbelwellenwinkels verschoben. Der künstlich eingeführte Signalversatz, für welchen ein minimaler Rekonstruktionsfehler resultiert, entspricht proportional dem der aktuellen Messung zugehörigen Signalversatz.
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Vorteilhafterweise wird zur Bestimmung des modellierten Brennraumdruckkurvenverlaufes mindestens eine Referenzdruckkurve gemessen, aus der mittels eines mathematischen Modells Eigendrücke berechnet werden. Dies hat den Vorteil, dass der Signalversatz basierend auf einer kurbelwinkelaufgelösten Zylinderdruckmessung in der Brennkraftmaschine bestimmt wird, wobei ein Vergleichsverlauf mit Hilfe einer mathematischen Methode aus dem Referenzwert erzeugt wird.
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In einer Ausführungsform wird die mindestens eine Referenzdruckkurve in verschiedenen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine über einem Kurbelwellenwinkel gemessen. Aufgrund der verschiedenen Betriebspunkte ist eine Brennraumdruckkurve für jeden Betriebszustand der Brennkraftmaschine während des laufenden Betriebes als Referenzkurve vorhanden.
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In einer Ausgestaltung wird die mindestens eine Referenzdruckkurve einmalig in einem Initialisierungsvorgang gemessen. Bei dieser Referenzdruckmessung wird davon ausgegangen, dass die Brennkraftmaschine eine sehr genaue, bekannte Geometrie aufweist, weshalb ein kleiner vorhandener OT-Fehler vorausgesetzt wird.
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In einer Variante werden die Eigendrücke aus der mindestens einen Referenzdruckkurve mit einer PCA-Methode (Principal Component Analysis) bestimmt. Bei dieser PCA-Methode werden die Druckkurven in einem weiteren Schritt aus einer Linearkombination von Eigendrücken wieder hergestellt, welche zuvor aus einer Reihe von Referenzdrucksignalen extrahiert wurden.
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In einer Ausführungsform wird für die mindestens eine Referenzdruckkurve ein Signalversatz zwischen Kurbelwellenwinkelsignal und Brennraumdrucksignal von annähernd Null angenommen. Diese Annahme ermöglicht einen zuverlässigen Vergleich der aus der mindestens einen Referenzdruckkurve extrahierten Eigendrücken mit einer aktuell gemessenen Brennraumdruckkurve.
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In einer Ausgestaltung wird die vorgegebene Anzahl von Eigendrücken bei der Rekonstruktion über einen vorgegebenen Kurbelwellenwinkelbereich, vorzugsweise von 360° verteilt. Durch die Verteilung über 360°-Kurbelwellenwinkel wird sichergestellt, dass immer ein gesamtes Arbeitsspiel eines Zylinders der Brennkraftmaschine bei der Rekonstruktion der Eigendruckkurve berücksichtigt wird. Um eine schnellere Berechnung zu ermöglichen, kann auch ein Bereich von kleiner 360° gewählt werden. So würde eine Rekonstruktion über 120° Kurbelwellenwinkel auch reichen. Vorteilhafterweise wird der Kurbelwellenwinkelbereich symmetrisch um den oberen Totpunkt gewählt, da die Brennraumdrucksignale dort am meisten Informationsgehalt aufweisen.
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In einer Ausführungsform wird die aktuell gemessene Brennraumdruckkurve im Kurbelwellenwinkelbereich mit dem minimalen Rekonstruktionsfehler korrigiert. Somit wird aus dem Vergleich der rekonstruierten Eigendruckkurve mit dem aktuellen Brennraumdruckverlauf einfach ein Korrekturwert zur Korrektur des Brennraumdrucksignales bestimmt. Das so korrigierte Brennraumdrucksignal führt zu einer zuverlässigen Steuerung der Prozesse der Brennkraftmaschine.
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Eine Weiterbildung der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Signalversatzes zwischen einem Kurbelwellenwinkelsignal und einem Brennraumdrucksignal bei einer Brennkraftmaschine, welche mit einem Brennraumdrucksensor und einem Kurbelwellenwinkelsensor zur Messung eines aktuellen Brennraumdruckverlaufes der Brennkraftmaschine verbunden ist und welche eine Recheneinheit zum Vergleich des aktuellen Brennraumdruckverlaufes mit einem berechneten, modellierten Brennraumdruckverlauf aufweist. Bei einer Vorrichtung, mit welcher in jedem Betriebszustand der laufenden Brennkraftmaschine der Signalversatz zwischen Kurbelwellenwinkelsignal und Brennraumdruckwinkelsignal bestimmt werden kann, sind Mittel vorhanden, welche den aktuell gemessenen Brennraumdruckverlauf gegenüber dem berechneten, modellierten Brennraumdruckverlauf entlang eines Kurbelwellenwinkels zur Erzeugung eines künstlichen Signalversatzes verschieben und aus dieser Verschiebung eine Druckkurve rekonstruieren, deren Rekonstruktionsqualität bestimmt wird, indem aus dem künstlichen Signalversatz entlang des Kurbelwellenwinkels der verschobenen aktuell gemessenen Brennraumdruckkurve ein Rekonstruktionsfehler als Maß für den Signalversatz zwischen Kurbelwellenwinkelsignal und Brennraumdrucksignal ermittelt wird
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Die Erfindung lässt eine Vielzahl von Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.
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Es zeigen:
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1 eine Prinzipdarstellung einer Brennkraftmaschine,
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2 ein Ausführungsbeispiel für eine Initialisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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3 Ausführungsbeispiel für einen gemittelten Druckverlauf,
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4 Ausführungsbeispiel für einen Vergleich eines Druckverlaufes mit seiner Rekonstruktion,
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5 Ausführungsbeispiel für eine Auswertung einer Rekonstruktionsqualität.
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6 ein Ausführungsbeispiel zur Bestimmung eines Signalversatzes zwischen Kurbelwellenwinkel und Brennraumdruck,
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7 Ausführungsbeispiel eines Druckverlaufes mit künstlich eingeführtem Signalversatz.
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1 zeigt eine Prinzipdarstellung einer Brennkraftmaschine. Die Brennkraftmaschine 1 weist in diesem Beispiel vier Zylinder 2, 3, 4, 5 auf, deren nicht weiter dargestellte Kolben, welche sich in den Zylindern 2, 3, 4, 5 bewegen, über jeweils eine Pleuelstange 6, 7, 8, 9 mit der Kurbelwelle 10 verbunden sind und diese aufgrund der durch die Verbrennung verursachten Druckänderung antreiben. Die Zylinder 2, 3, 4, 5 sind mit einem Saugrohr 11 verbunden, welches durch eine Drosselklappe 12 gegenüber einem Luftansaugrohr 13 abgeschlossen ist. In jeden Zylinder 2, 3, 4, 5 ragt eine Düse 14 zur Einspritzung von Kraftstoff und ein Einlassventil 15 für die Frischluft, wodurch sich im Zylinder 2, 3, 4, 5 ein Kraftstoff-Luft-Gemisch bildet. Darüber hinaus weist jeder Zylinder 2, 3, 4, 5 ein Auslassventil 16 für die Abgase auf, die während der Verbrennungsprozesse entstehen.
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In jedem Zylinder 2, 3, 4, 5 ist ein Brennraumdrucksensor 17 angeordnet, dessen Signale an ein Steuergerät 18 weitergeleitet werden. Der Übersichtlichkeit halber ist in 1 nur ein Brennraumdrucksensor 17 am Zylinder 5 dargestellt. Das Steuergerät 18 ist auch mit einem der Kurbelwelle 10 gegenüberliegenden Kurbelwellensensor 19 verbunden, wobei das Steuergerät 18 die Signale der Brennraumdrucksensoren 17 dem Signal des Kurbelwellensensors 19 zuordnet, welches einen Kurbelwellenwinkel repräsentiert. Das Steuergerät 18 umfasst weiterhin einen Mikroprozessor 20, der mit einem Speicher 21 verbunden ist.
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Bei der Steuerung der Brennkraftmaschine 1 wird das von dem Kurbelwellenwinkelsignal abhängige Brennraumdrucksignal ausgewertet. Da aber zwischen diesem Brennraumdrucksignal und dem Kurbelwellenwinkelsignal häufig ein Signalversatz besteht, der im Weiteren als OT-Fehler bezeichnet werden soll, ist es notwendig, diesen Signalversatz zu korrigieren. Zu diesem Zweck wird in der, in 2 dargestellten Initialisierungsphase einmalig an der Brennkraftmaschine auf einem Motorprüfstand ein Referenzbetrieb ausgeführt. Unter der Annahme, dass bei diesem Referenzbetrieb die OT-Fehler annähernd Null sind, werden in verschiedenen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine 1 Brennraumdruckkurven mit dem dazugehörigen Kurbelwellenwinkeln gemessen (Block 100). Diese Brennraumdruckkurven werden als Referenzdruckkurven verwendet. Im Block 110 werden aus diesen Referenzdruckkurven mittels der PCA-Methode (Principal Component Analysis) Eigendrücke nPCA berechnet, die im Speicher 21 abgespeichert werden.
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Die PCA-Methode basiert auf der Grundlage, dass Brennraumdruckkurven aus einer Linearkombination der PCA-Eigendrücken modelliert werden, welche zuvor aus einer Reihe von Referenzdrucksignalen extrahiert wurden. Die Eigendrücke stellen dabei Drucksignale mit der gleichen diskreten Länge wie das originale Zylinderdrucksignal jeweils eines Zylinders 2, 3, 4, 5 dar. Die Eigendrücke werden durch eine Singulärwertzerlegung aus den M Referenzdruckkurven p →k,k = 1, ..., M der Länge n definiert. Nach UΣVT = P (1)
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Dabei ist P eine Matrix, welche Informationen über die Referenzdruckkurven enthält. pN×M = ([p →1, p →2, ...., p →M] – p →mean) (2) und p →mean der gemittelte Druckverlauf aller Referenzdruckkurvenverläufe p →k.
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Die Matrix Σ enthält die Singularwerte der Singulärwertzerlegung. U und V stellen zwei orthogonale Matrizen dar.
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Die Matrix U enthält N stehende Vektoren pe,i, die sogenannten Eigendrücke. Sie sind Signale mit der gleichen Länge wie das originale Brennraumdrucksignal und repräsentieren die „Hauptvarianzrichtungen” der Kurvenschar, der Referenzdruckkurven. 3 zeigt den gemittelten Druckverlauf p →mean (3a) sowie die ersten drei Eigendrücke pe,1, pe,2, pe,3 (3b).
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Jeder Druckzyklus p →k kann aus einer Linearkombination der ersten nPCA Eigendrücke sehr genau rekonstruiert bzw. approximiert werden. p →k,rekonstruiert(nPCA) = p →mean + Θ1·p →e,1 + Θ2·p →e,2 + .... + ΘnPCA·p →e,nPCA (4)
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Die Genauigkeit der Approximation hängt dabei natürlich von der Anzahl der verwendeten Eigendrücke nPCA ab. 4a zeigt die Rekonstruktion eines Brennraumdruckverlaufes mit vier Eigendruckkurven nach Gleichung (4), wobei die Kurven p bzw. prekonstruiert übereinander liegen. Es ist ersichtlich, dass bereits eine sehr kleine Anzahl an Eigendrücken eine genaue Rekonstruktion zulässt. Die fünfte Eigendruckkurve pe,5 hat eine ähnliche Form wie der absolute Fehler p – prekonstruiert unter Verwendung von vier Eigendrücken in der Rekonstruktion (4b).
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Die in der Rekonstruktion verwendeten Linearkoeffizienten Θi werden PCA-Koeffizienten genannt und sind definiert als die Projektion der gemessenen Brennraumdruckkurve auf die jeweiligen Eigendruckkurven pe,i. Sie können entsprechend mit einem einfachen Skalarprodukt berechnet werden. Θi = (p →k – p →mean)T·p →e,i
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Die PCA-Methodik zur Bestimmung des OT-Fehlers basiert auf der Beobachtung, dass die Rekonstruktion einer gemessenen Druckkurve mit einer definierten Anzahl von PCA-Eigendrücken nPCA nach Gleichung (4) im Allgemeinen schlechter wird, wenn die Druckkurve mit einem OT-Fehler aufgezeichnet wurde. Der OT-Fehler definiert sich hier als OT-Versatz relativ zur OT-Position der Druckkurven, welche zur Berechnung der Eigendrücke nPCA verwendet wurden.
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Die während der Initialisierung berechneten Eigendrücke nPCA werden im Speicher 21 des Steuergerätes 18 abgespeichert und während des laufenden Betriebes der Brennkraftmaschine 1 zur Bestimmung des OT-Fehlers herangezogen. Gemäß 5 erfolgt die Bestimmung des OT-Fehlers ausgehend von einem gemessenen aktuellen Brennraumdruckverlauf (Block 200), welcher einen potenziellen OT-Fehler aufweist, indem die aktuell gemessene Brennraumdruckkurve zu den Eigendrücken nPCA stufenweise in positive sowie in negative Kurbelwellenrichtung verschoben wird (Block 210). Während einer einmal eingestellten Verschiebung, bei welcher die aktuell gemessene Brennraumdruckkurve eine bestimmte Kurbelwellenposition gegenüber der aus den Eigendrücken bestimmten Eigendruckkurve nPCA annimmt, werden die Verschobene Druckkurve durch die, in der Initialisierung berechneten Eigendrücke rekonstruiert (Block 220). Alle Rekonstruktionen finden mit einer definierten Anzahl Eigendrücken nPCA statt. Bei dieser Rekonstruktion wird die Eigendruckkurve aus den Eigendrücken nPCA wieder hergestellt, welche zuvor aus den Referenzdrucksignalen extrahiert wurden. Die definierte Anzahl Eigendrücke nPCA verteilen sich dabei über einen definierten Kurbelwellenwinkelbereich, beispielsweise 360°, so dass ein gesamter Zyklus jedes Zylinders 2, 3, 4, 5 abgedeckt wird. Block 210 und 220 werden bei jeweils einer weiteren Verschiebung der aktuell gemessenen Brennraumdruckkurve gegenüber den aus den Referenzbrennraumdruckkurven ermittelten Eigendrücken wiederholt.
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Anschließend wird im Block 230 eine Rekonstruktionsqualität jeder einzelnen rekonstruierten Eigendruckkurve berechnet und als Fehler zwischen der rekonstruierten Eigendruckkurve und der dazugehörigen original gemessenen verschobenen Brennraumdruckkurve ermittelt. Im Block 240 werden die Rekonstruktionsqualitäten aller verschobenen Kurven relativ zueinander verglichen. Durch die Verschiebung der aktuell gemessenen Brennraumdruckkurve wird künstlich eine Kurbelwellenwinkelverschiebung eingeführt, welche gemäß 6 einen Minimalwert aufweist. Der absolute Wert des Rekonstruktionsfehlers vom Minimalwert weg nimmt gegen beide Seiten hin stetig zu. Dieser Minimalwert des Kurbelwellenwinkels, an dem der minimale Rekonstruktionsfehler auftritt, entspricht der Schätzung des OT-Fehlers der aktuell gemessenen Brennraumdruckkurve.
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In 6 ist die Auswertung der Rekonstruktionsqualität von verschiedenen, verschobenen Versionen derselben gemessenen Brennraumdruckkurve ersichtlich, welche definiert ist als Fehler zwischen rekonstruierter und gemessener Brennraumdruckkurve. Diese Kurve wurde unter Laborbedingungen aufgenommen, womit garantiert werden konnte, dass kein OT-Fehler vorhanden ist. Die Kurve wurde zur Auswertung in beiden Kurbelwellenrichtungen verschoben, woraus sich der künstlich eingeführte OT-Fehler ergibt. Für jede Verschiebung wurde die Rekonstruktionsqualität unter Verwendung von 10 Eigendrücken nPCA ausgewertet. Die Kurve ohne Verschiebung kann in diesem Fall am besten wieder hergestellt werden.
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Da für die Referenzdruckkurven angenommen wurde, dass im Mittel die beste Rekonstruktion für null OT-Fehler auftritt, impliziert dies, dass die in 7 gemessenen Beispielkurve um 3° Kurbelwellenwinkel verschoben werden muss, damit der Minimalwert bei 0° Kurbelwellenwinkel liegt. Genau dann ist die Druckkurve, die gemessen wurde, kurbelwellensynchronisert mit den Referenzdruckkurven.
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Bei der Rekonstruktion jeder einzelnen verschobenen Version der gemessenen Brennraumdruckkurve mit den in der Initialisierung berechneten Eigendrücken lässt sich eine Evaluierung der Rekonstruktionsqualität jeder verschobenen Kurve des gemessenen Brennraumdruckverlaufes ermitteln. Der negative Wert des künstlich eingeführten Kurbelwellenversatzes der verschobenen Brennraumdruckkurve mit der besten Rekonstruktionsqualität ist die Schätzung des aktuellen OT-Fehlers. Bei der Bestimmung des OT-Fehlers können alternativ zu dem gemessenen Brennraumdruck auch die Eigendrücke verschoben werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009043431 A1 [0003]
