Bei modernen Verbrennungsmotoren liefert das Drehzahlsignal Informationen von zentraler Bedeutung für die Motorsteuerung, Diagnose sowie Optimierung bezüg- lich verschiedener Kriterien. Die Motordrehzahl wird nach dem Stand der Technik mit Hilfe eines an der Kurbelwelle angebrachten Geberrads gemessen, das eine be- stimmte Anzahl von Markierungen aufweist. Die einzelnen Markierungen bzw. In- kremente werden mittels eines Sensors erfasst.

Die Geberräder weisen in der Regel toleranzbedingte Geometrie-sowie Einbaufeh- ler auf. Diese verursachen einen systematischen Fehler, der eine weitere Verwen- dung des Drehzahlsignals wesentlich verschlechtert oder unter Umständen für be- stimmte Funktionalitäten sogar unbrauchbar macht. Daher ist eine Identifikation und Kompensation dieser Fehler von essentieller Bedeutung.

In diesem Zusammenhang sind einige Verfahren bekannt :

Aus der DE 100 17 107 AI ist eine Methode bekannt, mit der die Geberradfehler bis auf die Frequenzanteile auf den Hauptordnungen des Motors kompensiert wer- den können. Es wird die Tatsache ausgenutzt, dass die Drehunfönnigkeit des Verbrennungsmotors nur die erwähnten Frequenzanteile aufweist. Diese werden geschätzt und aus dem Drehzahlsignal entfernt. Die restlichen Schwankungen wer- den auf die Einflüsse der Geberradfehler zurückgefiihrt.

In DE 197 33 958 AI und der WO 01/77692 wird eine segmentbezogene Korrek- tur des Drehzahlsignals mit geringer Winkelauflösung durchgeführt.

In der DE 101 07 892 AI werden die Drehunförmigkeiten modellbasiert aus dem Saugrohrdruck, Abgasgegendruck, Umgebungsdruck, Motorgeometrie und den Steuerzeiten geschätzt und daraus mit dem gemessenen Drehzahlsignal die einzel- nen Geberradfehler berechnet.

Das in der WO 03/062620 vorgestellte Verfahren geht davon aus, dass sich die auf die Welle einwirkenden Gas-und MassenmomentS bei einer Mittelung innerhalb eines bestimmten Drehzahlbereiches zumindest weitgehend statistisch aufheben.

Aufgrund des somit erhaltenen mittleren Winkelgeschwindigkeitsverlaufes werden die Geometriefehler des Geberrads ermittelt.

Moderne Systeme für Otto-und Dieselmotoren ermöglichen den zylinderindividu- ellen Zugriff auf Kraftstoff-und Luftpfad. Zur vollständigen Nutzung des verfüg- baren Potenzials für die Reduzierung von Verbrauch und Emissionen benötigt das Motormanagement Rückmeldungen über die tatsächlichen Vorgänge im Brenn- raum. Für die Realisierung von Funktionen der zylinderindividuellen Motorsteue- rung und-regelung stellt der Brennraumdruckverlauf eine zentrale Größe dar.

Auch nach einer möglichen Verfügbarkeit eines serientauglichen Brennraumdruck-

sensors wird aus Kostengründen und aufgrund von Bauraumbeschränkungen die Indizierung aller Zylinder eines Motors nicht immer möglich sein.

Vorteile der Erfindung Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines die Drehbe- wegung eines rotierenden Teils einer Brennkraftmaschine repräsentierenden Win- kellagesignals. Hierbei weist die Brennkraftmaschine wenigstens einen Brennraum auf. Weiterhin ist ein eingangs erwähnter Drehzahlsensor vorgesehen, der ein die Drehbewegung eines mit dem rotierenden Teil verbundenen Geberrades repräsen- tierendes Drehmesssignals abgibt. Darüber hinaus ist wenigstens ein Drucksensor vorgesehen, der ein den Druck in einem Brennraum repräsentierendes Drucksignal abgibt. Das erfindungsgemäße Verfahren weist folgende Schritten auf : - Erfassen des Drucksignals.

- Erfassen des Drehmesssignals.

- Bildung einer Korrekturgröße wenigstens abhängig von dem erfassten Druck- signal und Drehmesssignal.

- Ermitteln des Winkellagesignals durch Verknüpfen des erfassten Drehmesssig- nals mit der Korrekturgröße.

Der Kern der Erfindung liegt in der Identifikation und Kompensation der Geber- radfehler durch gemeinsame Auswertung des Drehzahlsignals und des Brennraum- drucks eines oder mehrerer indizierter Zylinder. Vorteilhaft können Geberradfehler beliebiger Motorordnungen mit sehr hoher Genauigkeit und Zuverlässigkeit kom- pensiert werden. Es werden die Fehler jedes einzelnen Inkrements identifiziert. Die Messung des Brennraumdrucks in einem oder mehreren Zylindern ermöglicht eine sehr genaue Modellierung der verbrennungsrelevanten Drehunförmigkeiten und somit einen Gewinn bezogen auf die Genauigkeit der Identifikation.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Bildung der Korrekturgröße wenigstens abhängig von dem gleichzeitig erfassten Drucksig- nal und Drehmesssignal stattfindet.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass das Drucksignal wenigstens während eines vorgebbaren Betriebszustandes der Brennkraftmaschine erfasst wird und die Bil- dung der Korrekturgröße wenigstens abhängig von dem während eines vorgebba- ren Betriebszustands der Brennkraftmaschine erfassten Drucksignals und Dreh- messsignals stattfindet. Besonders vorteilhaft ist es hierbei, dass der vorgebbare Betriebszustand ein stationärer Schleppbetrieb der Brennkraftmaschine ist.

Es auch vorgesehen sein, dass der vorgebbare Betriebszustand ein Betriebszustand ist, während dem Störungen bestimmten Ausmaßes wie das Befahren einer Schlechtwegstrecke oder starke Störschwingungen nicht auftreten.

Die Beschränkung auf vorgebbare Betriebszustände wie den stationären Schlepp- betrieb der Brennkrafhnaschine kann entfallen, wenn über eine vorgebbare Anzahl, insbesondere über eine hinreichend große Anzahl, von Verbrennungsvorgängen gebildeten Korrekturgrößen zu einer resultierenden Korrekturgröße, insbesondere durch Mittelwertbildung, zusammengefaßt werden. Die Ermittelung des Winkella- gesignals geschieht dann durch Verknüpfen des erfassten Drehmesssignals mit der resultierenden Korrekturgröße.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Brennkranmaschine wenigstens zwei Brennräume aufweist, wobei wenigstens einer der Brennräume keinen Drucksensor aufweist. Hierbei ist es besonders vor- teilhaft, dass nur ein einziger Drucksensor zur Erfassung des Drucks in einem so- genannten Leitzylinder vorgesehen ist.

In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Brenn- kraftmaschine wenigstens drei Brennräume aufweist, wobei wenigstens einer der Brennräume keinen Drucksensor aufweist. Insbesondere sollen dabei nur zwei Drucksensoren in den Brennräumen vorgesehen sein, wobei die Brennräume mit den Drucksensoren derart ausgewählt sind, dass die Verbrennungsvorgänge in die- sen Brennräumen nacheinander ablaufen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Bildung der Korrek- turgröße weiterhin abhängig von der während der Erfassung vorliegenden Last der Brennkraftmaschine und/oder abhängig von der während der Erfassung vorliegen- den Drehzahl der Brennkraftmaschine geschieht.

Neben dem Verfahren betrifft die Erfindung auch die Vorrichtung zur Durchfuh- rung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Weitere Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Zeichnung Die Figur 1 zeigt die Identifikation der Geberradfehler gemäß eines Ausfiihrungs- beispiels anhand eines Blockschaltbildes. In der Figur 2 ist die Identifikation und der Einfluss der Geberradfehler dargestellt. Die Figur 3 veranschaulicht die Gas- drehmomente. Die Figur 4 zeigt das Prinzip der Schätzung des zylinderindividuel- len indizierten Mitteldrucks. Die Figur 5 stellt die Schätzung des zylinderindividu- ellen indizierten Mitteldrucks einzelner Verbrennungen eines Zylinders bei 3000 Umdrehungen pro Minute dar. Die Figur 6 zeigt die Korrelation zwischen dem geschätzten zylinderindividuellen indizierten Mitteldruck Pmi und der Refe- renz aus gemessenem Druck

Ausffihmngsbeispiel In den folgenden Ausführungsbeispielen wird die Erfindung beispielhaft erläutert.

Wie eingangs schon erwähnt ermöglichen moderne Systeme für Otto-und Diesel- motoren den zylinderindividuellen Zugriff auf Kraftstoff-und Luftpfad. Zur voll- ständigen Nutzung des verfügbaren Potenzials für die Reduzierung von Verbrauch und Emissionen benötigt das Motormanagement Rückmeldungen über die tatsäch- lichen Vorgänge im Brennraum. Für die Realisierung von Funktionen der zylinder- individuellen Motorsteuerung und-regelung stellt der Brennraumdruckverlauf eine zentrale Größe dar. Auch nach einer möglichen Verfügbarkeit eines serientaugli- chen Brennraumdrucksensors wird aus Kostengründen und aufgrund von Bau- raumbeschränkungen die Indizierung aller Zylinder eines Motors nicht immer mög- lich sein. Der Erfindung vorangegangen sind Untersuchungen darüber, ob mit einer reduzierten Anzahl an Drucksensoren, im besten Fall mit nur einem indizierten Leitzylinder, und Verwendung von vorhandenen Drehzahlinformffionen die ge- wünschten verbrennungsrelevanten Dnienerkmale in der erforderlichen Genauig- keit gewonnen werden können.

Im Folgenden wird eine Methode zur Kompensation der Geberradfehler durch ge- meinsam Auswertung des Drehzahlsignals und des Brennraumdrucks eines Leitzy- linders präsentiert. Ausgehend von den Ergebnissen dieser Kompensation wird im Weiteren ein Verfahren beschrieben, das die Rekonstruktion des zylinderindividuel- len indizierten Mitteldrucks Pmi jedes einzelnen Verbrennungsvorgangs ermög- licht. Anschließend werden die Ergebnisse anhand gemessener Daten vorgestellt und diskutiert.

Die zylinderindividuellen Pmi-Werte können für die Regelung, Steuerung, Über- wachung und/oder Diagnose verwendet werden und stellen einen der zentralen Merkmale des Brennraumdrucks dar.

1. Drehzahlerfassung Die Drehzahlerfassung erfolgt nach dem Periodendauermessprinzip mittels eines an der Kurbelwelle angebrachten 60-2-Geberrads. Dies bedeutet, dass das Geberrad 58 Zähne aufweist, wobei diese Zähne derart über den Umfang des Rades verteilt sind, dass von 60 gleichmäßig über den Umfang verteilten Zähne zwei fehlen. Die zwei fehlenden Zähne ermöglichen eine Erkennung der Absolutlage des Geberra- des, die sogenannte Bezugsmarke.

Die einzelnen Zähne werden von einem Drehzahlgeber 11 abgetastet und somit wird die Zeit t, zwischen den Impulsen jeweils zweier aufeinander folgender Zähne des Geberrades erfasst. Daraus ergibt sich für die mittlere Winkelgeschwindigkeit des betrachteten Intervalls bei einem Geberrad mit n Zähnen Im Zusammenhang mit dem Leitzylinderansatz werden primär die Schwankungen des Drehzablsignals ausgewertet. Die Amplitude dieser Schwankungen beträgt in der Regel nur wenige Prozente des Gleichanteils. Aus diesem Grund werden höchste Anforderungen an die Genauigkeit der Signalerfassung gestellt.

Die Hauptstörung wird dabei durch toleranzbedingte Geometrie-sowie Einbau- fehler des Geberrads verursacht. Abhängig vom jeweiligen Motor werden Tole- ranzgrenzen zwischen 0. 1 und 0. 3°KW pro Zahnbreite vorgegeben, was einem

Prozentsatz von 1,67 bzw. 5% entspricht Ein Geberradfehler A (p, wirkt sich auf die Messung der Zahnzeit wie folgt aus : Für die daraus ohne Kenntnis des Zahnfehlers berechnete Winkelgeschwindigkeit ,, gUt : Die Geberradfehler A (p, verursachen somit einen systematischen Fehler, der die Qualität der Drehzahlsignalverarbeitung wesentlich verschlechtert oder unter Um- ständen sogar unbrauchbar macht. Dies kann anhand der Figur 2 dargestellt wer- den. In der Figur 2 ist die Identifikation und der Einfluss der Geberradfehler darge- stellt. Die Unterdrückung dieser Störgröße stellt eine essentielle Voraussetzung für eine erfolgreiche Auswertung der Drehzahldaten dar.

In der Figur 2 ist im oberen und unteren Teil der Geberradfehler (oberer Teil) und der Schätzfehler (unterer Teil) gegen den Zahnindex aufgetragen. Der mittlere Teil der Figur 2 zeigt den Zählerstand mit bzw. ohne Kompensation in Abhängigkeit von dem Abtastwert.

2. Kompensation der Geberradfehler Die Energie des Kurbelwellentriebs setzt sich aus der kinetischen und potenziellen Energie zusammen. Die letztere kann für die betrachteten Motoren vernachlässigt werden. Unter dieser Annahme ergibt sich für die Energie E an der Kurbelwelle :

wobei 0 (#) das kurbelwinkelabhängige Trägheitsmoment des Motors darstellt.

Das gemessene Drehzahlsignal tm ist aber durch die Geberradfehler verfälscht, wodurch im winkeldiskreten Fall für die berechnete Energie, im Folgenden als E"", bezeichnet, gilt EmeSS wird in dem in der Figur 1 dargestellten Block 13 ermittelt. Einzelne Geber- radfehler wirken sich also nach Gl. (2-4) direkt auf die Schwankungen vonEmess aus. Der kurbelwinkelabhängige Verlauf der tatsächlichen Energie Etat wird physi- kalisch durch den Brennraumdruck der einzelnen Zylinder bestimmt. Bei dem vor- liegenden Verfahren wird davon ausgegangen, dass die Wechselanteile der Reibung in dem zur Identifikation der Geberradfehler betrachteten Betriebspunkt vernach- lässigbar klein sind und dass die Kurbelwelle hinreichend steif ist bzw. dass in dem zur Identifikation der Geberradfehler verwendeten Betriebspunkt keine Tor- sionsschwingungen angeregt werden. Unter diesen Bedingungen gilt nach : wobei das gesamte Gasmoment MGaS aus dem Mittelwert MGaS und dem Wech- selanteil #Gas besteht. Das resultierende Moment setzt sich also aus Gas-, Nutz-, und Reibungsmoment zusammen. Im stationären Betrieb bleibt die Winkelge- schwindigkeit der Kurbelwelle konstant

Daher gilt für das mittlere Drehmoment und die Wechselanteile der Energie : -MGeu Nuiz Reib- =P-P (8, Blockl6) Das Gasdrehmoment wird wie folgt berechnet : .....,,. -smo),.-cos (p-a-cos (p. 1 V1 _ X2 sin2 q) k + 2 X , u sinzpk-11 2 (9, Block (9, Block (9, Block 15) wobei z Anzahl der Zylinder, Pk (#k) Zylinderdruck, #k Kurbelwinkel bezogen auf den Zylinder k gemäß der Zündreihenfolge, Po Umgebungsdruck, A Kolben- fläche, X Pleuelstangenverhältnis, pt Desachsierungsverhältnis und r Kolbenradi- us kennzeichnet. Es lässt sich also bei bekanntem Druckverlauf aller Zylinder eine Referenz für die Wechselanteile der Energie über das Modell des Kurbeltriebs (Block 15) berechnen. Das Desachsierungsverhältnis F ist definiert als Quotient Desachsierung/Pleuellänge. Die Desachsierung bezeichnet die Versetzung zwi- schen der Drehachse der Kurbelwelle und der Linie, längs der sich der Kolben be- wegt.

Unter der Voraussetzung, dass die Verdichtungsverhältnisse und Füllungen der einzelnen Zylinder annähernd gleich sind, kann im stationären Schleppbetrieb da- von ausgegangen werden, dass alle Zylinder identischen, jeweils um einen definier- ten Kurbelwinkel phasenverschobenen Brennraumdruck (Blöcke 14a, 14b und 14c)

aufweisen. Daher ist es möglich, in diesem Betriebspunkt den Energieverlauf an der Kurbelwelle mit Hilfe des Leitzylinders zu berechnen. Wie in Figur 1 dargestellt, können somit die einzelnen Zahnfehler durch Auflösen der Gl. (10) nach A<p, be- rechnet werden.

(10, Blöcke 17,18 und 19) wobei f (A (p,) sich aus Gl. (1-5) ergibt. Zwecks Minimierung der Einflüsse sto- chastischer Störungen ist es empfehlenswert, eine Mittelung über einer größeren Anzahl von Zyklen durchzuführen.

Wurden die Geberradfehler einmal identifiziert und im Speicher (Teil des Blocks 20) abgelegt, so lässt sich mit Hilfe dieser im laufenden Betrieb eine Kompensation wie folgt durchführen : _ 2mC In . < = , <'----dl'Block 20) 27t/n+Ag, Ein Beispiel der Identifikation der Zahnfehler ist in der Figur 2 für eine Zahnfehler- simulation an gemessenen Daten dargestellt.

3. Schätzung des zylinderindividuellen Mitteldrucks : Die Berechnungen in Abschnitt 2 bezogen sich auf einen Betriebspunkt, in dem die Wechselanteile der Reibung als minimal bzw. vernachlässigbar angenommen wur- den. Im folgenden wird keine Beschränkung bezüglich des betrachteten Arbeits- punkts vorgenommen. Daher müssen die Wechselanteile der Reibung berücksich- tigt werden. Es wird weiterhin von einer hinreichend steifen Kurbelwelle ausge- gangen.

Aus dem vom Geberradfehler bereinigten Drehzahlsignal lässt sich mit Gleichungen (4) und (6) das Drehmoment an der Kurbelwelle berechnen : Der Verlauf der Drehmomente kann auch im instationären Betrieb als hinreichend stationär betrachtet werden. Somit ergibt sich mit Gl. (7) : Das Reibungsmoment kann mit Hilfe modellgestützter Ansätze unter Verwendung genauer Motorparameter berechnet werden.

Eine andere Möglichkeit, die Wechselanteile der Reibung zu kompensieren, eröff- r net sich mit dem Leitzylinderansatz. Drehzahlabhängige Anteile können, analog zur Identifikation der Geberradfehler, im Schleppbetrieb bei verschiedenen Drehzahlen durch einen Vergleich der aus der Drehzahl und aus dem Brennraumdruck berech- neten Gasdrehmomentverläufe bestimmt werden. Weiterhin lässt sich im laufenden Betrieb aufgrund der Indizierung des Leitzylinders das gesamte Gasdrehmoment für die Dauer der Hochdruckphase des Leitzylinders mit hoher Genauigkeit schät- zen. Somit ist es möglich, die aus dem Schleppbetrieb gewonnenen Verläufe der Reibung adaptiv an die jeweilige Last anzupassen.

Nach dieser Kompensation erhält man eine sehr genaue Schätzung für die Wech- selanteile des gesamten Gasdrehmoments.

In der Figur 3 ist die Überlagerung der Gasmomente der einzelnen Zylinder (Zylin- der Zl, Z2, Z3, Z4 sowie die Summe) für ein Arbeitsspiel exemplarisch dargestellt.

Die Kenntnis des Brennraumdrucks des Leitzylinders ermöglicht eine Entkopplung der Gasdrehmomente einzelner Zylinder über das Modell des Kurbeltriebs. Da- durch lässt sich der indizierte Mitteldruck für jeden einzelnen Zylinder schätzen.

Dieser stellt ein Maß für die vom jeweiligen Zylinder geleistete Arbeit pro Hubvo- lumen V dar und wird wie folgt definiert : wobei die Integrationsgrenzen den Kurbelwinkelbereich eines Arbeitsspiels darstel- len.

Die Figur 4 zeigt das Prinzip der Schätzung des zylinderindividuellen indizierten Mitteldrucks.

Die einzelnen Zähne werden von einem Drehzahlgeber 11 abgetastet und somit wird die Zeit tmess,i zwischen den Impulsen jeweils zweier aufeinander folgender Zähne des Geber- rades erfasst Im Block 41 findet die Kompensation der Geberradfehler statt. Hierzu werden die einmal identifizierten und gespeicherten Geberradfehler (Block 19/20 in der Figur 1) berücksichtigt.

Im Block 42 wird das so korrigierte Zeitsignal , = ,, in die Winkelsignale ge- wandelt und dem Block 44 zugeführt. Dort werden, wie anhand des Blocks 15 beschrei- ben, das Gesamtgasdrehmoment und das Reibungsmoment berechnet und dem Block 43 zugeführt.

Im Block 43 wird das Gesamtgasdrehmoment unter Berücksichtigung der Reibung ermit- telt. Hierzu werden die durch den Drucksensor 12 erfassten Brennraumdrucksignale PLZI mit den sogenannten'eingelernten Reibungsmerkmale'verknüpft. Die'eingelernten Rei- bungsmerkmale'werden nach einem der aus der Literatur bekannten Verfahren (siehe Rezeka, S. F., Henein, N. A. : A New Approach to Evaluate Instantaneous Friction and Its Components in Internal Combustion Engines. SAE Technical Paper Series, No. 840179, 1984) aus den Motorabmessungen vorab berechnet und in einem Speicher abgelegt.

Im Block 45 werden die Einzelmomente entkoppelt, wodurch man zu den Gas- drehmomenten M"", der einzelnen Zylinder gelangt.

Durch die Integration 46 gelangt man dann zu den zylinderindividuellen Pmi- Werten.

Das vorgestellte Verfahren wurde verifiziert durch Messungen mit zwei vollindi- zierten Otto-Motoren. Als Referenz wurde der aus dem gemessenen Brennraum- druck berechnete indizierte Mitteldruck verwendet. In den Figuren 5 und 6 sind die Ergebnisse an einem vierzylindrigen Benzindirekteinspritz-Motor mit 1.4 Liter Hubraum dargestellt. Die Figur 6 stellt die Korrelation der Schätzung mit der Refe- renz für verschiedene Drehzahlen dar, wobei 6 die jeweilige Standardabweichung und m den mittleren Schätzfehler darstellt Zur Bildung der Statistik wurden ins- gesamt ca. 96 000 Verbrennungen verwendet. Die Werte des Leitzylinders wurden nicht einbezogen, da sie durch die Indizierung bereits bekannt sind.

Die Kombination der beiden vorgestellten Verfahren zur Kompensation der Geber- radfehler und Schätzung des zylinderindividuellen Mitteldrucks bieten eine Rück- meldung aus dem Brennraum jedes einzelnen Zylinders. Dabei wird ein einzelner Drucksensor und das bereits vorhandene Drehzahlsignal verwendet. Durch die ge- meinsam Auswertung dieser Signale mit Hilfe der präsentierten Algorithmen er- öffien sich neue Möglichkeiten für eine kostengünstige zylinderindividuelle Mo- torsteuerung und-regelung sowie Verbesserung der bereits bestehenden Funktio- nen.