DE10233583B4

DE10233583B4 - Verfahren zur Überwachung mindestens eines Drucksensors

Info

Publication number: DE10233583B4
Application number: DE10233583.4A
Authority: DE
Inventors: Uwe Kassner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-07-24
Filing date: 2002-07-24
Publication date: 2017-06-01
Anticipated expiration: 2022-07-25
Also published as: DE10233583A1

Abstract

Verfahren zur Überwachung mindestens eines Drucksensors (1, 5, 10) zur Erfassung des Druckes in mindestens einem Zylinder (15, 20, 25) einer Brennkraftmaschine (30), dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt mehrere Druckwerte des mindestens einen Drucksensors (1, 5, 10) für verschiedene Kurbelwellenwinkel erfasst werden, dass in einem zweiten Schritt aus den erfassten Druckwerten und den zugehörigen Werten für das Zylindervolumen ein Istwert eines Polytropenexponenten ermittelt wird, dass in einem dritten Schritt der Istwert mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen wird und dass in einem vierten Schritt in Abhängigkeit der Differenz zwischen Istwert und Sollwert eine Fehlfunktion des mindestens einen Drucksensors (1, 5, 10) detektiert wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht von einem Verfahren zur Überwachung mindestens eines Drucksensors nach der Gattung des Hauptanspruchs aus.
Es sind bereits Verfahren zur Überwachung mindestens eines Drucksensors zur Erfassung des Drucks in mindestens einem Zylinder einer Brennkraftmaschine bekannt, bei denen zur Überwachung eines ersten Drucksensors ein zweiter Drucksensor eingesetzt wird. Eine Fehlfunktion des ersten Drucksensors wird erkannt, wenn das Signal des ersten Drucksensors um mehr als einen vorgegebenen Wert vom Signal des zweiten Drucksensors abweicht.
Aus der EP 0 399 069 B1 ist ein Verfahren zum Bestimmen des Brennraumdruckes in einem Zylinder einer Brennkraftmaschine mit einem Drucksensor bekannt. Dabei ist vorgesehen mit Hilfe eines Polytropenexponenten im Verdichtungstakt der Kolbenbewegung den Drucksensor zu kalibrieren.
Aus der DE 41 42 068 A1 ist eine Einrichtung für die Erfassung von Motorklopfen bekannt. Die Einrichtung besitzt Zylinderinnendrucksensoren zur Erfassung des Zylinderdrucks bei zwei verschiedenen Kurbelwellenwinkeln im Verdichtungstrakt. Es wird ein polytropischer Index ermittelt.
Es besteht weiterhin Bedarf ein zuverlässiges Verfahren zum Überwachen eines Drucksensors zum Überwachen eines Drucks in einem Zylinder einer Brennkraftmaschine bereitzustellen. Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Überwachung mindestens eines Drucksensors mit den Merkmalen des Hauptanspruches hat demgegenüber den Vorteil, dass in einem ersten Schritt mehrere Druckwerte des mindestens einen Drucksensors für verschiedene Kurbelwellenwinkel erfasst werden, dass in einem zweiten Schritt aus den erfassten Druckwerten und den zugehörigen Werten für das Zylindervolumen ein Istwert eines Polytropenexponenten ermittelt wird, dass in einem dritten Schritt der Istwert mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen wird und dass in einem vierten Schritt in Abhängigkeit der Differenz zwischen Istwert und Sollwert eine Fehlfunktion des mindestens einen Drucksensors detektiert wird. Auf diese Weise ist zur Detektion einer Fehlfunktion des mindestens einen Drucksensors kein weiterer Sensor erforderlich, sodass Aufwand und Kosten eingespart werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren auch Fehlfunktionen des mindestens einen Drucksensors detektiert werden können, die mit einem redundanten Drucksensor zur Fehlerüberwachung aufgrund der Verschleißanfälligkeit auch des redundanten Drucksensors im Zylinder und damit im Brennraum der Brennkraftmaschine nicht erkannt werden könnten.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens möglich.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Druckwerte des mindestens einen Drucksensors im ersten Schritt für Kurbelwellenwinkel erfasst werden, zu denen keine Energieumsetzung durch Verbrennung erfolgt, insbesondere in der Kompressionsphase vor Brennbeginn und/oder in der Expansionsphase nach Brennende. Auf diese Weise lässt sich für die Detektion einer Fehlfunktion des mindestens einen Drucksensors die polytrope Zustandsgleichung ausnutzen.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass im zweiten Schritt mehrere Einzelwerte für den Istwert des Polytropenexponenten aus jeweils mindestens zwei Wertepaaren für den Zylinderdruck und das zugehörige Zylindervolumen ermittelt werden und dass der Istwert des Polytropenexponenten als Mittelwert aus den Einzelwerten gebildet wird. Auf diese Weise lässt sich der Istwert des Polytropenexponenten besonders einfach und mit hoher Genauigkeit ermitteln.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass im zweiten Schritt aus den Wertepaaren für den Zylinderdruck und das zugehörige Zylindervolumen jeweils eine polytrope Zustandsgleichung aufgestellt und ein daraus abgeleitetes Gleichungssystem im Sinne eines minimalen Fehlers nach dem Istwert des Polytropenexponenten aufgelöst wird. Auf diese Weise lässt sich die Genauigkeit bei der Bestimmung des Istwertes des Polytropenexponenten noch erhöhen.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Fehlfunktion des mindestens einen Drucksensors detektiert wird, wenn die Differenz zwischen Istwert und Sollwert, insbesondere wiederholt, außerhalb eines vorgegebenen Bereichs liegt. Auf diese Weise ist eine einfache Detektion einer Fehlfunktion des mindestens einen Drucksensors möglich.
Für den Fall, dass die Fehlfunktion erst dann detektiert wird, wenn die Differenz zwischen Istwert und Sollwert wiederholt außerhalb des vorgegebenen Bereichs liegt, lässt sich die Zuverlässigkeit der Detektion der Fehlfunktion erhöhen.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der vorgegebene Bereich in Abhängigkeit von Toleranzen bei der Berechnung des Istwertes des Polytropenexponenten und/oder bei der Ermittlung des vorgegebenen Sollwertes gebildet wird. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass die Detektion einer Fehlfunktion des mindestens einen Drucksensors nicht von solchen Toleranzen herrührt, so dass die Zuverlässigkeit der Detektion einer Fehlfunktion des mindestens einen Drucksensors erhöht wird.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der vorgegebene Sollwert mittels mindestens eines als weitgehend fehlerfrei bekannten Drucksensors und von diesem bei verschiedenen Kurbelwellenwinkeln erfassten Werten für den Zylinderdruck anhand der polytropen Zustandsgleichung aus Wertepaaren des erfassten Zylinderdrucks und des zugehörigen Zylindervolumens ermittelt wird. Auf diese Weise lässt sich der vorgegebene Sollwert an die spezifischen thermodynamischen Verhältnisse der Brennkraftmaschine bestmöglich anpassen, so dass die Zuverlässigkeit der Detektion einer Fehlfunktion des mindestens einen Drucksensors weiter erhöht wird.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen
1 ein Blockschaltbild einer Brennkraftmaschine mit Drucksensoren und eine Steuerung zur Auswertung der Signale der Drucksensoren und
2 ein Ablaufplan zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In 1 kennzeichnet 30 eine Brennkraftmaschine mit einem ersten Zylinder 15, einem zweiten Zylinder 20 und einem k-ten Zylinder 25, wobei k ≥ 3 ist. Das Verfahren ist alternativ auch nur bei einem oder bei zwei Zylindern anwendbar. Dem ersten Zylinder 15 ist ein erster Aufnehmer 1 für den Druck im Brennraum des ersten Zylinders 15 zugeordnet. Dem zweiten Zylinder 20 ist ein zweiter Aufnehmer 5 für den Druck im Brennraum des zweiten Zylinders 20 zugeordnet. Dem k-ten Zylinder 25 ist ein k-ter Aufnehmer für den Druck im Brennraum des k-ten Zylinders 25 zugeordnet. Die Aufnehmer 1, 5, 10 werden im Folgenden auch als Drucksensoren bezeichnet. Der Druck im Brennraum der Zylinder 15, 20, 25 wird im Folgenden auch als Zylinderdruck bezeichnet. Die Drucksensoren 1, 5, 10 können beispielsweise im Brennraum des jeweils zugeordneten Zylinders 15, 20, 25 angeordnet sein und wandeln den im jeweiligen Brennraum aufgenommenen Zylinderdruck in eine dem Zylinderdruck proportionale Ausgangsspannung um, die sie einer Steuerung 35 zum Zwecke der Auswertung zuführen. Jeder Drucksensor 1, 5, 10 wird individuell überwacht.
Die aus dem jeweiligen Zylinderdruck der Zylinder 15, 20, 25 abgeleiteten Ausgangsspannungen können dabei als Eingangssignale für verschiedene Steuerungsfunktionen verwendet werden. Diese Steuerungsfunktionen wiederum erzeugen beispielsweise Ansteuersignale für die Kraftstoffzumessung und die Steuerung der Zündung des in dem Brennraum der jeweiligen Zylinder 15, 20, 25 befindlichen Kraftstoff-Luft-Gemischs. Für die Sicherstellung einer einwandfreien Funktion der Drucksensoren 1, 5, 10 ist eine Überwachung der Funktion der Drucksensoren 1, 5, 10 notwendig, da die Drucksensoren 1, 5, 10 eine zentrale Rolle für die Steuerung der Brennkraftmaschine 30 darstellen. Erfindungsgemäß wird nun ein Verfahren zur Überwachung der Drucksensoren 1, 5, 10 beschrieben, das keine zusätzlichen Drucksensoren benötigt und den Zylinderdruckverlauf über dem Kurbelwellenwinkel analysiert.
Die Grundlage für das erfindungsgemäße Verfahren ist die bekannte Tatsache, dass ein Zusammenhang zwischen dem Zylinderdruck und dem Zylindervolumen durch die polytrope Zustandsgleichung p_i·V n / i = K = const (1) angegeben werden kann.
p_i ist dabei der von einem beliebigen der Drucksensoren 1, 5, 10 erfasste Zylinderdruck des zugeordneten Zylinders für einen beliebigen i-ten Kurbelwellenwinkel, wobei i = 1, ..., m und m die Zahl der erfassten Werte für den Zylinderdruck ist. m ist dabei ≥ 2. Somit wird für verschiedene Kurbelwellenwinkel jeweils ein Zylinderdruckwert vom entsprechenden Drucksensor erfasst. V_i ist das Zylinder- oder Brennraumvolumen des zugeordneten Zylinders für den i-ten Kurbelwellenwinkel und damit dem Zylinderdruck p_i zugeordnet. Die Gleichung (1) gilt während der Phasen des Arbeitsspiels der Brennkraftmaschine 30, in denen das Gasvolumen im entsprechenden Zylinder eingeschlossen ist und keine Energieumsetzung durch Verbrennung erfolgt, d. h. in der Kompressionsphase vor Brennbeginn und in der Expansionsphase nach Brennende. Der Polytropenexponent n hängt wesentlich von der Zusammensetzung des Gases im Brennraum des entsprechenden Zylinders und dem Wärmeübergang vom Gas an die Umgebung ab. Die Konstante K ist nicht bekannt. Daher kann eine Berechnung des Polytropenexponenten n nur bei Kenntnis von mindestens zwei Wertepaaren p₁, V₁, und p₂, V₂ erfolgen. Sinnvollerweise wird die Gleichung (1) zunächst auf die Kompressionsphase vor Beginn der Verbrennung im Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine 30 angewendet. Abhängig von der Betriebsart der Brennkraftmaschine 30 ergeben sich unterschiedliche aus der Literatur bekannte Werte für die Polytropenexponenten n. Wird beispielsweise eine Betriebsart gewählt, bei der ein Kraftstoff-Luft-Gemisch im entsprechenden Zylinder komprimiert wird, so ist der Polytropenexponent n ungefähr = 1,32. Wird eine Betriebart gewählt, bei der reine Luft im entsprechenden Zylinder komprimiert wird, so ist der Polytropenexponent n ungefähr = 1,37. Diese Werte sind aus der Literatur bekannt.
Zusätzlich oder alternativ zur Anwendung der Gleichung (1) auf der Kompressionsphase vor Beginn der Verbrennung kann die Gleichung (1) auch nach Ende der Verbrennung in der Expansionsphase stattfinden.
Der Zylinderdruck p_i wird wie beschrieben vom entsprechenden Drucksensor 1, 5, 10 erfasst und in eine dazu proportionale Ausgangsspannung umgewandelt. Das Zylindervolumen V_i für den i-ten Kurbelwellenwinkel hingegen lässt sich aus der Stellung des Kolbens des Zylinders bei diesem Kurbelwellenwinkel berechnen. Aus dem gemessenen Zylinderdruck p_i und dem zugehörigen berechneten Zylindervolumen V_i lässt sich anhand der Gleichung (1) und bei Kenntnis von mindestens zwei Wertepaaren P₁, V₁ und p₂, V₂ für den Zylinderdruck und das Zylindervolumen ein Istwert für den Polytropenexponenten n ermitteln. Der aus der Literatur bekannte Polytropenexponent kann je nach Betriebsart der Brennkraftmaschine als vorgegebener Sollwert für den Polytropenexponenten gewählt werden. Weicht der mittels des entsprechenden Drucksensors 1, 5, 10 ermittelte Istwert für den Polytropenexponenten n um mehr als einen vorgegebenen Wert vom vorgegebenen Sollwert ab, so kann dies als Fehlfunktion des entsprechenden Drucksensors 1, 5, 10 gedeutet werden.
Der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nun anhand des Ablaufplans nach 2 beispielhaft für den ersten Zylinder 15 und den zugehörigen ersten Drucksensor 1 beschrieben, wobei Entsprechendes natürlich auch für die übrigen Zylinder 20, 25 und die zugeordneten Drucksensoren 5, 10 gilt.
Nach dem Start der Überwachung des ersten Drucksensors 1 wird bei einem Programmpunkt 95 von der Steuerung 35 der Kurbelwellenwinkel i initialisiert, bei dem der erste Zylinderdruckwert für die Überwachung vom ersten Drucksensor 1 erfasst werden soll. Anschließend wird zu einem Programmpunkt 100 verzweigt.
Beim Programmpunkt 100 prüft die Steuerung 35, ob ein Arbeitszyklus der Brennkraftmaschine 30 begonnen hat. Ist dies der Fall, so wird zu einem Programmpunkt 105 verzweigt, andernfalls wird zu einem Programmpunkt 100 zurückverzweigt.
Ein begonnener Arbeitszyklus wird von der Steuerung 35 dadurch erkannt, dass die Kompressionsphase vor Beginn der Verbrennung oder die Expansionsphase nach Ende der Verbrennung vorliegt. Der Kurbelwellenwinkel i wurde dabei bei Programmpunkt 95 derart initialisiert, dass er im Arbeitszyklus der Brennkraftmaschine 30 liegt.
Bei Programmpunkt 105 ermittelt die Steuerung 35 durch Abtastung der vom ersten Drucksensor 1 empfangenen Ausgangsspannung den Zylinderdruck p_i des ersten Zylinders 15 für den Kurbelwellenwinkel i.
Anschließend wird zu einem Programmpunkt 110 verzweigt.
Bei Programmpunkt 110 berechnet die Steuerung 35 das Zylindervolumen V_i für den Kurbelwellenwinkel i und speichert anschließend den Zylinderdruck p_i und das Zylindervolumen V_i für den Kurbelwellenwinkel i in einem der Steuerung 35 zugeordneten Speicher ab. Anschließend wird der Kurbelwellenwinkel i beispielsweise um einen vorgegebenen Winkelwert inkrementiert und i = i + 1 gesetzt. Anschließend wird zu einem Programmpunkt 115 verzweigt. Bei Programmpunkt 115 prüft die Steuerung 35, ob die Brennkraftmaschine 30 sich noch im Arbeitszyklus befindet, d. h. ob noch die Kompressionsphase vor Beginn der Verbrennung oder die Expansionsphase nach Ende der Verbrennung vorliegt. Ist dies der Fall, so wird zu Programmpunkt 105 zurück verzweigt, andernfalls wird zu einem Programmpunkt 120 verzweigt. Bei Programmpunkt 120 liegen m Werte für den Zylinderdruck p_i und das zugehörige Zylindervolumen V_i im der Steuerung 35 zugeordneten Speicher. Aus diesen m Wertepaaren p_i, V_i mit i = 1, ..., m berechnet die Steuerung 35 den Istwert n ist des Polytropenexponenten n. Anschließend wird zu einem Programmpunkt 125 verzweigt. Bei Programmpunkt 125 ermittelt die Steuerung 35 den vorgegebenen Sollwert nsoll des Polytropenexponenten n. Der Sollwert nsoll kann dabei, wie beschrieben, aus der Literatur bekannt und ebenfalls in einem der Steuerung 35 zugeordneten Speicher für die verschiedenen möglichen Betriebsarten abgelegt sein. Die Bestimmung des vorgegebenen Sollwerts nsoll bei Programmpunkt 125 erfolgt dann derart, dass die Steuerung 35 je nach Betriebsart der Brennkraftmaschine 30 den zugeordneten vorgegebenen Sollwert nsoll aus dem zugeordneten Speicher ermittelt. Anschließend wird zu einem Programmpunkt 130 verzweigt.
Bei Programmpunkt 130 prüft die Steuerung 35, ob der Sollwert nsoll den Istwert nist um mehr als einen ersten vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Ist dies der Fall, so wird zu einem Programmpunkt 135 verzweigt, andernfalls wird zu einem Programmpunkt 140 verzweigt.
Bei Programmpunkt 140 prüft die Steuerung 35, ob der Sollwert nsoll den Istwert nist um mehr als einen zweiten vorgegebenen Grenzwert unterschreitet. Ist dies der Fall, so wird zu Programmpunkt 135 verzweigt, andernfalls wird das Programm verlassen und keine Fehlfunktion des ersten Drucksensors 1 detektiert.
Bei Programmpunkt 135 detektiert die Steuerung 35 eine Fehlfunktion des ersten Drucksensors 1 und speichert eine Information über die Fehlfunktion in einem der Steuerung 35 zugeordneten Speicher. Zusätzlich kann es bei Programmpunkt 135 vorgesehen sein, dass die Steuerung 35 eine Anzeige der Fehlfunktion des ersten Drucksensors 1 an einer in 1 nicht dargestellten Anzeigevorrichtung veranlasst. Anschließend wird das Programm verlassen. Das Programm kann für einen erneuten Überwachungsvorgang erneut durchlaufen werden. Dabei kann es alternativ vorgesehen sein, dass eine Fehlfunktion des ersten Drucksensors erst dann detektiert wird, wenn mindestens für eine vorgegebene Anzahl von Programmdurchläufen der Programmpunkt 135 erreicht wurde und damit die Differenz zwischen dem Sollwert nsoll und dem Istwert nist außerhalb eines durch die beiden vorgegebenen Grenzwerte definierten Bereichs liegt.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform kann es auch vorgesehen sein, den vorgegebenen Bereich nur durch einen vorgegebenen Grenzwert zu definieren und eine Fehlfunktion des ersten Drucksensors 1 nur dann zu detektieren, wenn der Sollwert nsoll vom Istwert nist um mehr als den einzigen vorgegeben Grenzwert oder in einer alternativen Ausführungsform um weniger als den einzigen vorgegebenen Grenzwert abweicht.
Beim Ausführungsbeispiel nach 2 kann es beispielhaft auch vorgesehen sein, dass der erste vorgegebene Grenzwert und der zweite vorgegebene Grenzwert betragsmäßig gleich groß gewählt werden.
Im Ausführungsbeispiel nach 2 ist der erste vorgegebene Grenzwert beispielsweise positiv und der zweite vorgegebene Grenzwert beispielsweise negativ gewählt.
Der beschriebene Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens lässt sich entsprechend für die Detektion einer Fehlfunktion des zweiten Drucksensors 5 und des k-ten Drucksensors 10 durchführen.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, die Fehlfunktion eines der Drucksensoren 1, 5, 10 ohne Verwendung eines zum jeweiligen Drucksensor 1, 5, 10 redundanten Drucksensors zu detektieren. Außerdem lassen sich mehr Fehlfunktionen detektieren, als dies mit Hilfe eines redundanten Drucksensors möglich wäre. Bei Verwendung eines zusätzlichen redundanten Drucksensors lassen sich solche Fehlfunktionen nicht detektieren, die sich aufgrund von Betriebsbedingungen ergeben, die sich in gleicher oder ähnlicher Weise auf den zu überwachenden und den dazu redundanten Drucksensor auswirken. Durch Überwachung des Istwertes des Polytropenexponenten und dem Vergleich mit dem vorgegebenen Sollwert, der für den fehlerfreien Fall ermittelt wurde, lassen sich somit zusätzliche Fehlfunktionen des zu überwachenden Drucksensors detektieren, die aus der Beanspruchung des zu überwachenden Drucksensors im Brennraum herrühren. Die im Brennraum angeordneten zu überwachenden Drucksensoren 1, 5, 10 sind extremen Temperatur- und Druckbelastungen ausgesetzt. Dabei ist ein komplexes mechanisches Design erforderlich, um die Auswerteelektronik des zu überwachenden Drucksensors von der eigentlichen, den Zylinderdruck erfassenden Membran im Brennraum zu entkoppeln.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren lassen sich verschiedene Fehlerarten des zu überwachenden Drucksensors detektieren, von denen beispielhaft folgende typische Fehlfunktionen genannt sind:

– Verstärkungsfehler, die zu einer Abweichung des Proportionalitätsfaktors zwischen dem erfassten Zylinderdruck und der Ausgangsspannung des Drucksensors führen.
– Driftfehler aufgrund der Überlagerung des vom Drucksensor mittels der Ausgangsspannung abgegebenen Drucksignals mit einer zeitabhängigen Fehlergröße.
– eine durch veränderte mechanische Eigenschaften des Drucksensors in der Kraftübertragung beim Druckaufbau und beim Druckabbau im Zylinder hervorgerufene Hysterese.
– ein durch thermische Spannungen im Drucksensor erzeugtes Drucksignal des zu überwachenden Drucksensors, das keine Entsprechung im Zylinderdruck hat und als Thermoschock bezeichnet wird.

Im Folgenden wird nun beschrieben, wie der Istwert nist des Polytropenexponenten n bei Programmpunkt 120 berechnet werden kann. Die vom zu überwachenden Drucksensor 1, 5, 10 abgegebene Ausgangsspannung, die auch als Drucksignal oder Zylinderdrucksignal bezeichnet wird, ist stets mit einem störenden Rauschen aufgrund der Signalverarbeitung im Drucksensor versehen. Eine Auflösung der Gleichung (1) nach dem Polytropenexponenten n für ein einzelnes Wertepaar p_i, V_i des Zylinderdrucks und des zugeordneten Zylindervolumens ist daher nicht sinnvoll. Es wird daher vorgeschlagen, m ≥ 2 Wertepaare p_i, V_i für den Zylinderdruck und das zugehörige Zylindervolumen zu verwenden und somit die Güte der Berechnung zu verbessern und den Einfluss des Rauschens möglichst weitgehend zu eliminieren.
Die Berechnung des Istwertes nist des Polytropenexponenten n bei Programmpunkt 120 gemäß 2 kann gemäß einer ersten Ausführungsform beispielsweise dadurch erfolgen, dass aus jeweils zwei oder mehr Wertepaaren p_i, V_i des Zylinderdruckes und des Zylindervolumens ein Einzelwert n₁ für den Istwert nist des Polytropenexponenten n berechnet wird. Werden für die Berechnung eines solchen Einzelwertes n₁ jeweils zwei Wertepaare p_i, V_i für den Zylinderdruck und das Zylindervolumen verwendet, so ergibt sich jeweils ein Gleichungssystem zweier polytroper Zustandsgleichungen gemäß Gleichung (1) mit der Konstanten K und dem Einzelwert n₁ als den beiden Unbekannten. Nach Logarithmierung der beiden Gleichungen ergibt sich ein lineares Gleichungssystem, das nach dem Einzelwert n₁ eindeutig aufgelöst werden kann. Bei Verwendung von m Wertepaaren p_i, V_i des Zylinderdrucks und des Zylindervolumens ergeben sich dann l = m/2 Einzelwerte für den Istwert nist des Polytropenexponenten n. Anschließend kann der Istwert nist des Polytropenexponenten n als Mittelwert über die Einzelwerte n₁ mit l = 1, ..., m/2 berechnet werden.
Gemäß einer alternativen zweiten Ausführungsform kann wiederum für jedes gespeicherte Wertepaar p_i, V_i des Zylinderdrucks und des Zylindervolumens die polytrope Zustandsgleichung gemäß Gleichung (1) aufgestellt werden, so dass sich bei m Wertepaaren m polytrope Zustandsgleichungen ergeben. Die Gleichung (1) geht durch Logarithmieren über in log(p_i) + n·log(V_i) = C (2) mit C = log(K).
Somit erhält man durch Logarithmierung der m polytropen Zustandsgleichungen für die m Wertepaare p_i, V_i des Zylinderdrucks und des Zylindervolumens das folgende lineare Gleichungssystem:
Für m > 2 ist dieses lineare Gleichungssystem (3) überbestimmt, da mit C und n nur zwei Unbekannte vorliegen, wobei n der Polytropenexponent ist. Für m = 2 lässt sich das Gleichungssystem (3) eindeutig nach dem Polytropenexponenten n auflösen, der dann dem gesuchten Istwert nist entsprechen soll.
Im Folgenden wird angenommen, dass das Gleichungssystem (3) überbestimmt ist. Es lässt sich übersichtlicher formulieren als p = A·x (4).
Dabei ist
Für den Vektor x im Gleichungssystem (4) kann nun ein Lösungsvektor
ermittelt werden, der ein Fehlermaß minimiert, denn eine exakte Lösung für das Gleichungssystem (4) kann ja nicht bestimmt werden. Dabei kann beispielsweise eine quadratische Gewichtung des Fehlers durchgeführt werden, wobei dann eine einfache geschlossene Rechenvorschrift für die Ermittlung des Lösungsvektors
angegeben werden kann.
Mit dem Fehlervektor
ist der Wert
zu minimieren durch Bestimmung des Lösungsvektors
Die Lösungsvorschrift lautet:
Der Lösungsvektor
enthält die Konstante C und den Polytropenexponenten n, wobei nur der Polytropenexponent n für das nach 2 beschriebene Verfahren als Istwert nist verwendet wird.
Der Sollwert kann bei Programmpunkt 125 gemäß 2 von der Steuerung 35 wie beschrieben durch die aus der Literatur bekannten Werte in Abhängigkeit der jeweiligen Betriebsart der Brennkraftmaschine 30 ermittelt werden. Alternativ kann der vorgegebene Sollwert nsoll in gleicher Weise wie der Istwert nist und damit beispielsweise nach einer der beiden beschriebenen Ausführungsformen der Mittelwertbildung oder im Sinne eines minimalen Fehlers, beispielsweise unter Verwendung des minimalen quadratischen Fehlermaßes, berechnet werden. Dabei kann ebenfalls das Verfahren nach 2 bis zum Programmpunkt 120 einschließlich verwendet werden, wobei beim Programmpunkt 120 dann der Sollwert nsoll ermittelt wird. Dabei wird für den jeweiligen Zylinder 15, 20, 25 der Brennkraftmaschine 30 jeweils ein Drucksensor verwendet, der als weitgehend fehlerfrei oder noch besser als fehlerfrei bekannt ist. Der auf diese Weise ermittelte Sollwert nsoll ist somit bestmöglich an die thermodynamischen Verhältnisse der Brennkraftmaschine 30 angepasst, besser als die oben erwähnten Literaturwerte. Der Sollwert nsoll kann für die Brennkraftmaschine 30 in der beschriebenen Weise einmalig bestimmt und in einem der Steuerung 35 zugeordneten Speicher abgelegt werden und steht für die zuvor beschriebenen Vergleiche mit dem Istwert nist zur Verfügung.
Die bei Programmpunkt 130 und Programmpunkt 140 verwendeten beiden vorgegebenen Grenzwerte oder der in einer alternativen Ausführungsform verwendete einzige vorgegebene Grenzwert können so gewählt werden, dass sie die Toleranzen bei der Berechnung des Istwertes nist und/oder bei der gegebenenfalls wie beispielhaft beschriebenen Berechnung des Sollwertes nsoll auftretenden Toleranzen berücksichtigen. Auf diese Weise wird die Zuverlässigkeit bei der Detektion von Fehlfunktionen der Drucksensoren 1, 5, 10 erhöht. Es kann somit verhindert werden, dass eine durch diese Berechnungstoleranzen bedingte Abweichung zwischen dem Sollwert nsoll und dem Istwert nist bereits als Fehlfunktion des Drucksensors detektiert wird.

Claims

Verfahren zur Überwachung mindestens eines Drucksensors (1, 5, 10) zur Erfassung des Druckes in mindestens einem Zylinder (15, 20, 25) einer Brennkraftmaschine (30), dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt mehrere Druckwerte des mindestens einen Drucksensors (1, 5, 10) für verschiedene Kurbelwellenwinkel erfasst werden, dass in einem zweiten Schritt aus den erfassten Druckwerten und den zugehörigen Werten für das Zylindervolumen ein Istwert eines Polytropenexponenten ermittelt wird, dass in einem dritten Schritt der Istwert mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen wird und dass in einem vierten Schritt in Abhängigkeit der Differenz zwischen Istwert und Sollwert eine Fehlfunktion des mindestens einen Drucksensors (1, 5, 10) detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckwerte des mindestens einen Drucksensors (1, 5, 10) im ersten Schritt für Kurbelwellenwinkel erfasst werden, zu denen keine Energieumsetzung durch Verbrennung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckwerte des mindestens einen Drucksensors (1, 5, 10) im ersten Schritt in der Kompressionsphase vor Brennbeginn und/oder in der Expansionsphase nach Brennende erfasst werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Schritt mehrere Einzelwerte für den Istwert des Polytropenexponenten aus jeweils mindestens zwei Wertepaaren für den Zylinderdruck und das zugehörige Zylindervolumen ermittelt werden und dass der Istwert des Polytropenexponenten als Mittelwert aus den Einzelwerten gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Schritt aus den Wertepaaren für den Zylinderdruck und das zugehörige Zylindervolumen jeweils eine polytrope Zustandsgleichung aufgestellt und ein daraus abgeleitetes Gleichungssystem im Sinne eines minimalen Fehlers nach dem Istwert des Polytropenexponenten aufgelöst wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fehlfunktion des mindestens einen Drucksensors (1, 5, 10) detektiert wird, wenn die Differenz zwischen Istwert und Sollwert außerhalb eines vorgegebenen Bereichs liegt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fehlfunktion des mindestens einen Drucksensors (1, 5, 10) detektiert wird, wenn die Differenz zwischen Istwert und Sollwert wiederholt außerhalb eines vorgegebenen Bereichs liegt.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Bereich in Abhängigkeit von Toleranzen bei der Berechnung des Istwertes des Polytropenexponenten und/oder bei der Ermittlung des vorgegebenen Sollwertes gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Sollwert mittels mindestens eines als zumindest weitgehend fehlerfrei bekannten Drucksensors (1, 5, 10) und von diesem bei verschiedenen Kurbelwellenwinkeln erfassten Werten für den Zylinderdruck anhand der polytropen Zustandsgleichung aus Wertepaaren des erfassten Zylinderdrucks und des zugehörigen Zylindervolumens ermittelt wird.