Titel

Verfahren zur Korrektur eines von einem Druckaufnehmer gemessenen Drucksignals

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Korrektur eines von einem Druckaufnehmer gemessenen Drucksignals, der im Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm, das alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführt, wenn es auf einem Rechengerät oder Steuergerät abläuft. Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Programm auf einem Rechengerät ausgeführt wird.

Stand der Technik

Da die von Verbrennungskraftmaschinen erzeugte Energie direkt von den ther- modynamischen Parametern der Gase im Brennraum der Verbrennungskraftmaschine abhängt, sind Messung und Analyse des Zylinderinnendrucks einer Verbrennungskraftmaschine, zusammen mit der Möglichkeit einer Regelung der Verbrennungskraftmaschine aufgrund von Informationen über den Verbrennungsvorgang durchzuführen, ein wichtiges Gebiet in Forschung und Anwendung. Die Bedeutung des Zylinderinnendrucks liegt darin, dass aus seinem Verlauf zahlreiche zur Beschreibung des Verbrennungsvorgangs wichtige Daten ermittelt werden können, wie beispielsweise der Maximaldruck, oder der indizierte Mitteldruck der Hoch- und Niederdruckphase, oder er sogar Grundlage für komplexe Berechnungen, wie eine Verbrennungsdiagnose auf Basis des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik bilden kann. Für die Forschung sowie auch für die Überwachung an Verbrennungskraftmaschinen werden Druckaufnehmer verwendet, die in die Brennraumoberfläche montiert werden. Dadurch werden die Membranen derselben nicht nur durch die Druckgase, sondern auch durch Flammenausbreitung harten thermischen Stö- ßen ausgesetzt, die dem effektiven Druckvorgang zusätzliche Fehler überlagern, so dass die Expansionsphasen häufig mit erheblichen Fehlern gemessen werden. Meist werden als Druckaufnehmer piezoelektrische Sensoren verwendet, da diese geringe Abmessungen mit einer hohen Empfindlichkeit und einem breiten Messbereich sowohl bezüglich Frequenz als auch bezüglich Amplitude kombinie- ren. Echtzeitmessungen des Zylinderinnendrucks in Verbrennungskraftmaschinen stehen heute im Zentrum der weltweiten Forschung, um einen geschlossenen Verbrennungsregelkreis, eine Drehmomentabschätzung, Abgasregelung, Lärmschutz und dergleichen zu ermöglichen. All diese Regelungsstrategien benötigen verlässliche Echtzeitdaten des Zylinderinnendrucks.

Die Genauigkeit piezoelektrischer Druckwandler wird allerdings bei der Bestimmung des Zylinderinnendrucks durch ihre Empfindlichkeit gegenüber

Thermoschockeffekten des Verbrennungsprozesses begrenzt. Thermostöße beeinflussen die Antwort eines piezoelektrischen Druckaufnehmers auf zwei Wei- sen. Zum einen führen sie zu einer Ausdehnung bzw. Kontraktion der Membran und des Gehäuses des Druckaufnehmers. Weiterhin beeinflussen sie die Empfindlichkeit des Druckaufnehmers durch Veränderung der Membransteifheit und des Young-Moduls des piezoelektrischen Kristalls. Der resultierende Fehler in einer Druckbestimmung sinkt zwar mit der Zeit, kann sich aber dennoch im Expan- sionshub der Verbrennungskraftmaschine bemerkbar machen. Über einen großen Kurbelwinkelbereich kann eine zyklische Temperaturabweichung bzw. ein Thermoschockfehler einen großen Einfluss auf jene Werte haben, die über einen ganzen Arbeitszyklus integriert werden, wie beispielsweise den mittleren effektiven Zylinderinnendruck. Der Fehler aufgrund eines Thermoschocks ist schwer zu quantifizieren und kann nur mittels eines wassergekühlten Referenzsensors bestimmt werden, dessen Verhalten bei thermischer Beanspruchung stabiler ist.

Es wurden verschiedene Lösungen vorgeschlagen, um den Einfluss eines Thermoschocks auf einen piezoelektrischen Druckaufnehmer zu minimieren, indem bauliche Veränderungen am Druckaufnehmer vorgenommen werden. Selbst diese thermodynamisch optimierten piezoelektrischen Druckaufnehmer sind aller- dings immer noch hinreichend empfindlich gegenüber einem Thermoschock, um ihr Drucksignal derart zu verfälschen, dass es zum Zweck der Regelung einer Verbrennungskraftmaschine ungeeignet ist.

Offenbarung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Korrektur eines von einem

Druckaufnehmer, insbesondere einem piezoelektrischen Drucksensor, gemessenen Drucksignals, der im Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist, umfasst das Erfassen eines Verlaufs eines von dem Druckaufnehmer gemessenen Drucksignals in Abhängigkeit von einem Kurbelwinkel der Verbrennungskraftmaschine, das Berechnen einer Korrekturfunktion eines Fehlers des Drucksignals aufgrund eines Thermoschocks, wobei der Betrag der Korrekturfunktion bis zu einem Maximum linear ansteigt und anschließend exponentiell abfällt und das Erhalten eines korrigierten Drucksignals des Druckaufnehmers durch Addition der Korrekturfunktion zu dem gemessenen Drucksignal.

Ein Vergleich eines Drucksignals eines piezoelektrischen Druckaufnehmers, der im Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist und einem Thermoschock ausgesetzt wird, mit dem Signal eines wassergekühlten Referenzsensors zeigt, dass der Thermoschockeffekt auf das Drucksignal schnell auftritt und langsam wieder abklingt. Diesem wird durch den erfindungsgemäßen Verlauf der Korrekturfunktion Rechnung getragen. Der lineare Anstieg des Betrages der Korrekturfunktion entspricht dabei einer schnellen Aufheizung des Druckaufnehmers und der exponentielle Abfall der Korrekturfunktion entspricht einer langsamen Wärmeabgabe des Druckaufnehmers.

Vorzugsweise wird der lineare Anstieg V| _in (9) der Korrekturfunktion gemäß Formel 1 berechnet:

Θ - Θ start

y.m (ö) = y max (Formel 1 )

Θ max Θ start

Θ bezeichnet hierbei den Kurbelwinkel der Verbrennungskraftmaschine, 9 _st art bezeichnet den Kurbelwinkel der Verbrennungskraftmaschine zu Beginn des Thermoschocks und 9 _max bezeichnet den Kurbelwinkel der Verbrennungskraftmaschi- ne am Maximum des Betrages der Korrekturfunktion, wobei dieses Maximum als y _max bezeichnet wird. Wenn die Bedingung Θ = 9 _max erfüllt ist, ergibt sich somit

Weiterhin ist es bevorzugt, dass der exponentielle Abfall γ _θ χ _Ρ (θ) des Betrages der Korrekturfunktion gemäß Formel 2 oder einer polynomialen Annäherung von Formel 2 berechnet wird: exp| - _S - (0 - 0 _max ) - -^- I - expl - s - (9 _end - 9 _max ) - 180° J 180

l - exp^- s .^ - e.., ) . ^ ] (Formel 2)

Hierin bezeichnet 9 _en d den Kurbelwinkel der Verbrennungskraftmaschine nach Abklingen des Thermoschockeffektes, y _en d den Wert der Korrekturfunktion nach Ende eines von dem Thermoschock ausgelösten Effektes auf den

Druckaufnehmer (Abklingen des Thermoschockeffektes) und s einen konstanten Faktor, der die Konkavität der Korrekturfunktion im exponentiell abfallenden Bereich Υ _β χ (θ) beschreibt. Das Ende des von dem Thermoschock ausgelösten Effektes bzw. Abklingen des Thermoschockeffektes ist an einem Punkt erreicht, an dem die Differenz zwischen dem durch den Thermoschock fehlerbehafteten Drucksignals des Druckaufnehmers und einem nicht fehlerbehafteten Drucksignal einen vorgegebenen Schwellenwert unterschreitet. Dieser Punkt kann durch eine Ausgleichsrechnung bestimmt werden. Der konstante Faktor s kann durch die Methode der kleinsten Fehlerquadrate der Korrekturfunktion an die Differenz zwischen dem durch den Thermoschock fehlerbehafteten Drucksignals des Druckaufnehmers und einem nicht fehlerbehafteten Drucksignal bestimmt werden. Sowohl der Kurbelwinkel 9 _en d der Verbrennungskraftmaschine nach Abklingen des Thermoschockeffektes, der Wert y _en d der Korrekturfunktion nach Ende des von dem Thermoschock ausgelösten Effektes auf den Druckaufnehmer als auch der konstante Faktor s hängen kaum vom Arbeitspunkt der Verbrennungskraftmaschine ab. Sie können daher im erfindungsgemäßen Verfahren insbesondere einmalig bestimmt und dann für Berechung gemäß Formel 2 als konstant angenommen werden. Die Korrekturfunktion wird vorzugsweise auch noch nach Erreichen des Endes des von dem Thermoschock ausgelösten Effektes zu dem Drucksignals des Druckaufnehmers addiert. Hierdurch wird die Tatsache berücksichtigt, dass durch das exponentielle Abklingen des Thermoschockeffekts noch bis zum En- des des aktuellen Arbeitszyklus der Verbrennungskraftmaschine ein Resteinfluss des Thermoschocks auf das Sensorsignal des Druckaufnehmers verbleibt.

Das Maximum y _max des Betrages der Korrekturfunktion wird bevorzugt aus der Drehzahl und der Last der Verbrennungskraftmaschine bestimmt. Es ist beson- ders bevorzugt, dass zur Bestimmung des Maximums y _max des Betrages der Korrekturfunktion eine Korrelation und Applikation des Maximums des Betrages y _max der Korrekturfunktion mit der Drehzahl und der Last der Verbrennungskraftmaschine in mindestens einem Kennfeld in einem Steuergerät der Verbrennungskraftmaschine erfolgt.

Weiterhin ist es bevorzugt, dass der Kurbelwinkel 9 _max der Verbrennungskraftmaschine am Maximum des Betrages y _max der Korrekturfunktion aus der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine bestimmt wird. Es ist besonders bevorzugt, dass eine Korrelation und Applikation des Kurbelwinkels 9 _max der Verbrennungskraft- maschine am Maximum des Betrages y _max der Korrekturfunktion mit der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine in mindestens einem Kennfeld in einem Steuergerät der Verbrennungskraftmaschine erfolgt.

Das erfindungsgemäße Computerprogramm führt alle Schritte des erfindungs- gemäßen Verfahrens aus, wenn es auf einem Rechengerät oder Steuergerät abläuft. Dies ermöglicht die Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem vorhandenen Steuergerät, ohne daran bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Hierzu ist das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt mit Programmcode auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert und dient zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Programm auf einem Computer oder Steuergerät ausgeführt wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Fig. 1 zeigt schematisch einen Ausschnitt einer Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Stand der Technik.

Fig. 2 zeigt in einem Diagramm den Verlauf des Drucksignals eines piezoelektrischen Druckaufnehmers und eines Referenzsensors, die im Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine einem Thermoschock ausgesetzt sind.

Fig. 3 zeigt in einem Diagramm den Verlauf einer Korrekturfunktion gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 4 zeigt in einem Diagramm den Verlauf eines Drucksignals, welches mit einem Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung korrigiert wurde.

Ausführungsbeispiel der Erfindung

In Fig. 1 sind schematisch Komponenten einer Verbrennungskraftmaschine 1 dargestellt, welche für das erfindungsgemäße Verfahren von Bedeutung sind. Im Brennraum 2 der Verbrennungskraftmaschine 1 ist ein piezoelektrischer

Druckaufnehmer 3 angeordnet. Die Verbrennungskraftmaschine 1 und der piezoelektrische Druckaufnehmer 3 sind mit einem Steuergerät 4 verbunden. Das Steuergerät 4 ist weiterhin mit einem wassergekühlten Referenzsensor 5 verbunden, der ebenfalls im Brennraum 2 der Verbrennungskraftmaschine 1 angeordnet ist.

Fig. 2 zeigt die Änderung des Drucksignals ρ ₃ (θ) des piezoelektrischen

Druckaufnehmers 3 und des Drucksignals ρ ₅ (θ) des Referenzsensors 5 in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel Θ der Verbrennungskraftmaschine 1. Im Brennraum 2 der Verbrennungskraftmaschine 1 werden zunächst zwei Voreinspritzungen VE1 , VE2 abgesetzt. Anschließend wird eine Haupteinspritzung HE abgesetzt. Mit Absetzung der Haupteinspritzung HE kommt es zu einem Thermoschock. Die Empfindlichkeit des piezoelektrischen Druckaufnehmers 3 gegenüber dem Thermoschock führt dazu, dass die beiden Drucksignale Ρ3(θ), ρ ₅ (θ) voneinander abweichen. Zur Veranschaulichung ist in Fig. 2 die Differenz Δρ(θ) der beiden Drucksignale Ρ3(θ), ρ ₅ (θ) dargestellt. Diese wird nach Formel 3 berechnet:

Δρ(θ) = ρ ₅ (θ) - ρ ₃ (θ) (Formel 3)

Während diese Differenz Δρ(θ) vor Absetzung der Haupteinspritzung HE im Bereich eines statistischen Fehlers liegt, wird sie mit dem durch die Haupteinspritzung HE verursachten Thermoschock signifikant. Ein geglätteter Verlauf Ap _geg i(9) der Druckdifferenz Δρ(θ) ist ebenfalls in Fig. 2 gezeigt.

In einer Ausführungsform der Erfindung wird zur Korrektur des durch den Thermoschock verursachten Fehlers in der Druckbestimmung eine Korrekturfunktion y(9) berechnet. Der Verlauf dieser Korrekturfunktion ist in Fig. 3 dargestellt. In einem ersten Bereich, in dem die Korrekturfunktion y(9) linear von einem Wert von Null beginnend abfällt, d. h. ihr Betrag ansteigt, wird ihr Verlauf yi _in (9) gemäß Formel 1 berechnet. In einem zweiten Bereich, in dem die Korrekturfunktion y(9) exponentiell bis auf einen Wert y _en d < 0 ansteigt, d. h. ihr Betrag sinkt, wird ihr Verlauf y _e x (9) gemäß Formel 2 berechnet.

Zur Korrektur des von dem piezoelektrischen Druckaufnehmer 3 gemessenen Drucksignals p ₃ (9) wird die Korrekturfunktion y(9) nun zu diesem Drucksignal p ₃ (9) addiert. Als Ergebnis wird gemäß Formel 4 ein korrigiertes Drucksignal p _3, korr(9) erhalten, dessen Verlauf in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel 9 in Fig. 4 dargestellt ist. p ₃ , korr(9) = ρ ₃ (θ) + y(9) (Formel 4)

Wenn es dem Drucksignal p ₅ (9) des Referenzsensors gegenübergestellt wird und die Differenz Δρ _{3, k0} rr(9) gebildet wird, so ist Fig. 4 zu entnehmen, dass der Unterschied der beiden Drucksignale p ₃ (9), p ₅ (9) nun im Bereich einer statistischen Schwankung liegt. Somit ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren die Korrektur des durch einen Thermoschock fehlerbehafteten Drucksignals p ₃ (9) eines im Brennraum 2 einer Verbrennungskraftmaschine 1 angeordneten

Druckaufnehmers 3, so dass dieses nun zur Regelung der Verbrennungskraftmaschine herangezogen werden kann.