DE102006040656A1

DE102006040656A1 - Verfahren zur Ermittlung der Geräuschemission einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102006040656A1
Application number: DE102006040656A
Authority: DE
Inventors: Matthias Schueler; Michael Kessler; Mohamed Youssef; Arnold Engber; Axel Loeffler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-08-30
Filing date: 2006-08-30
Publication date: 2008-03-20
Also published as: US8109253B2; US20080199016A1

Abstract

Es werden Verfahren zur Ermittlung der Verbrennungsgeräusche einer Brennkraftmaschine vorgestellt, die lediglich einen Körperschallsensor benötigen und mit geringer Rechenleistung durchgeführt werden können.

Description

Stand der Technik
Moderne Brennkraftmaschinen müssen neben einem geringen Kraftstoffverbrauch und niedrigen Emissionswerten auch noch möglichst geräuscharm arbeiten.
Vor allem bei Brennkraftmaschinen, die nach dem Dieselverfahren arbeiten, ist besonderes Augenmerk auf die Geräuschemissionen zu richten. Bei Diesel-Brennkraftmaschinen sind teilhomogene und homogene Brennverfahren bekannt, die in Teilbereichen des motorischen Betriebskennfeldes neben dem konventionellen, inhomogenen Brennverfahren eingesetzt werden, um in diesen Teilbereichen des Betriebskennfelds ein möglichst niedriges Emissionsniveau, insbesondere bei Stickoxiden und Rußpartikeln, zu erreichen.
Die homogene und die teilhomogene Verbrennung zeigen jedoch aufgrund des hohen Zündverzugs nicht tolerierbare Geräuschemissionen, welche durch bekannte Maßnahmen, wie eine erhöhte Abgasrückführungsrate oder die Spätverstellung der Verbrennung nicht vollständig vermieden werden können. Vor allem der Übergang vom konventionellen inhomogenen Brennverfahren zum teilhomogenen oder homogenen Brennverfahren sowie dynamische Änderungen des Betriebszustandes könne zu kritischen Geräuschemissionen führen. Um diese Geräuschemissionen durch eine geeignete Einspritzstrategie vermeiden oder zumindest reduzieren zu können, ist es erforderlich, die Geräuschemissionen während des Betriebs der Brennkraftmaschine zu ermitteln.
Ein herkömmliches Verfahren zur Erfassung des Verbrennungsgeräuschs besteht daraus, den Druck im Brennraum zu erfassen, mit einer Übertragungsfunktion des Motorblocks und des menschlichen Gehörs zu gewichten und daraus die emittierte Schallleistung zu berechnen. Diese Berechnungen sind sehr rechenzeitintensiv und können deshalb nicht auf den heutzutage üblichen Motorsteuergeräten implementiert werden. Zudem müssten zur Durchführung dieses Verfahrens Brennkraftmaschinen mit Drucksensoren in den Brennräumen ausgerüstet werden.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ermittlung der Geräuschemissionen einer Brennkraftmaschine bereitzustellen, welches wenig Rechenzeit beansprucht und nur eine einfache Sensorik benötigt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst bei einem Verfahren zur Ermittlung der Geräuschemissionen einer Brennkraftmaschine, welches folgende Verfahrensschritte aufweist:

– Erfassen des Körperschalls der Brennkraftmaschine mit mindestens einem Körperschallsensor und
– Ermitteln der Energie des Körperschalls in einem bestimmten Frequenzband.

Dieses Verfahren erfordert lediglich mindestens einen Körperschallsensor, der bei vielen Brennkraftmaschinen ohnehin vorhanden ist und zudem deutlich kostengünstiger ist als ein Drucksensor, der im Brennraum der Brennkraftmaschine installiert wird. Des Weiteren ist die Ermittlung der Energie des Körperschalls in einem bestimmten Frequenzband mit vergleichsweise wenigen Rechenoperationen durchführbar, so dass herkömmliche Steuergeräte, wie sie zur Steuerung einer Brennkraftmaschine eingesetzt werden, diese Aufgabe zusätzlich zur Motorsteuerung übernehmen können. Dadurch ist es möglich, auf kostengünstige und einfache Weise und während des Betriebs der Brennkraftmaschine deren Geräuschemissionen und insbesondere deren Verbrennungsgeräusch zu überwachen. Mit den auf diese Weise ermittelten Geräuschemissionen können die Steuerung und Regelung der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit der Geräuschemissionen und des Verbrennungsgeräusches durch das Steuergerät vorgenommen werden.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das vom dem mindestens einen Körperschallsensor erfasste Körperschallsignal mittels eines Bandpassfilters gefiltert wird. Dieser Bandpassfilter wird vorteilhafterweise so ausgelegt, dass er die Übertragungsfunktion der Brennkraftmaschine, insbesondere des Motorblocks der Brennkraftmaschine, und des menschlichen Gehörs nachbildet. Dadurch wird gewährleistet, dass letztendlich nur die Anteile des Körperschallsignals zur Ermittlung der Energie des Körperschallsignals herangezogen werden, die von der Brennkraftmaschine emittiert werden und vom menschlichen Ohr als Geräusch wahrgenommen werden.
Dadurch wird die Zahl der zu verarbeitenden Signale reduziert, ohne Qualitätsverluste beim Ergebnis der Ermittlung der Geräuschemissionen hinnehmen zu müssen.
In einem weiteren Schritt werden vorteilhafterweise ein Betrag oder das Quadrat des ungefilterten oder des gefilterten Körperschallsignals berechnet und aufsummiert.
Anschließend werden der aufsummierte Betrag oder das aufsummierte Quadrat des ungefilterten oder des gefilterten Körperschallsignals standardisiert gemäß folgenden Gleichungen: u = (χ – μ)/σ v = σ × μmit

χ:: Körperschallsignal
μ:: Erwartungswert
σ:: Standardabweichung
v:: Dichte

Diese hinlänglich bekannte Standardisierung oder Normierung erlaubt eine einfache Auswertung und Weiterverarbeitung der ermittelten Geräuschemissionen und kann als Eingangsgröße für die Steuerung und Regelung der Brennkraftmaschine in dem Steuergerät eingesetzt werden.
Es hat sich weiter als vorteilhaft erwiesen, wenn das Frequenzband, innerhalb dessen die Energie des Körperschallsignals ermittelt wird, zwischen 0,5 kHz und 3,0 kHz liegt.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein Verfahren zur Ermittlung der Geräuschemissionen einer Brennkraftmaschine, bei welchem der Körperschall der Brennkraftmaschine mit mindestens einem Körperschallsensor erfasst wird und der maximale Gradient des niederfrequenten Anteils des Körperschallsignals ermittelt wird.
Auch bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren ist lediglich mindestens ein Körperschallsensor erforderlich und die erfindungsgemäße Auswertung der von dem mindestens einen Körperschallsensor ermittelten Körperschallsignale erfordert ebenfalls nur eine vergleichsweise geringe Rechenleistung.
In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass der maximale Gradient des Körperschallsignals während der Hauptverbrennung und/oder während der Vorverbrennung erfasst wird. Dadurch ist es möglich, bei Bedarf sowohl während der Hauptverbrennung als auch während der Vorverbrennung die Geräuschemissionen zu ermitteln oder, falls eine Voreinspritzung und infolgedessen eine Vorverbrennung nicht stattfindet, nur die Geräuschemissionen während der Hauptverbrennung zu erfassen.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, dass eine gewichtete Linearkombination der maximalen Gradienten des Körperschallsignals während der Hauptverbrennung und während der Vorverbrennung gebildet wird.
Es hat sich darüber hinaus als vorteilhaft und ausreichend erwiesen, wenn der maximale Gradient des Körperschallsignals in einem Frequenzband von 1,6 kHz bis 2,4 kHz, bevorzugt in Frequenzband von 1,8 kHz bis 2,2 kHz und besonders bevorzugt in einem Frequenzbereich von 2 kHz ermittelt wird.
Um die Belastung des Steuergeräts zu reduzieren, kann weiter vorgesehen sein, die erfindungsgemäßen Verfahren nur dann durchzuführen, wenn sich der Betriebszustand der Brennkraftmaschine ändert. Dieses Verfahren nützt die Erkenntnis aus, dass kritische Geräuschemissionen insbesondere bei einer Änderung des Betriebszustands der Brennkraftmaschine auftreten und im stationären Betrieb diese Problematik nicht auftritt oder zumindest so klein ist, dass die Geräuschemissionen nicht permanent ermittelt werden müssen.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar. Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
In der Zeichnung zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit vier Zylindern,
2 ein Ablaufschema eines ersten erfindungsgemäßen Verfahrens,
3 die Kennlinie eines Bandpassfilters,
4 ein Ablaufschema eines zweiten erfindungsgemäßen Verfahrens,
5 eine Darstellung der Ergebnisse der erfindungsgemäßen Verfahren in Diagrammform.
Beschreibung der Ausführungsformen
Eine Brennkraftmaschine trägt in 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie dient zum Antrieb eines in 1 nicht dargestellten Kraftfahrzeugs.
Die Brennkraftmaschine 10 umfasst einen Motorblock 12 mit vier Zylindern 14a bis 14d. Diesen wird über ein Ansaugrohr 16 Ansaugluft zugeführt. Verbrennungsabgase werden aus den Zylindern 14a bis 14d mittels eines Abgasrohres 24 abgeleitet, in dem ein Katalysator 26 angeordnet ist. Im Betrieb der Brennkraftmaschine 10 wird eine Kurbelwelle 30 in Drehung versetzt, deren Winkelstellung und Drehgeschwindigkeit durch einen Drehzahlsensor 32 erfasst wird.
Am Motorblock 12 zwischen den Zylindern 14a und 14b ist an einem Einbauort 34a ein erster Körperschallsensor 36a angeordnet. Zwischen den Zylindern 14b und 14c ist an einem Einbauort 34b ein zweiter Körperschallsensor 36b vorhanden, und zwischen den beiden Zylinder 14b und 14c an einem Einbauort 34c ein dritter Körperschallsensor 36c.
Alle Sensoren 32 und 36a bis 36c liefern mit sehr hoher zeitlicher Auflösung Körperschallsignale an eine Steuer- und Regeleinrichtung 38, welche den Betrieb der Brennkraftmaschine 10 steuert beziehungsweise regelt. Hierzu werden verschiedene Stellelemente angesteuert, beispielsweise nicht dargestellte Kraftstoffinjektoren et cetera.
In 2 ist der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens nach den Ansprüchen 1–7 dargestellt.
In einem ersten Block 40 wird das Körperschallsignal von einem oder mehreren Körperschallsensoren 36a, 36b oder 36c erfasst. Die Ausgangssignale dieser Körperschallsensoren 36 werden in einem Bandpassfilter 42, welcher zum Beispiel die in 3 dargestellte Kennlinie aufweist, gefiltert. Anschließend erfolgt in einem zweiten Block 44 entweder eine Betragsbildung der gefilterten Körperschallsignale durchgeführt. Alternativ kann auch das Quadrat der Körperschallsignale gebildet werden.
In einem Summationsblock 46 werden zylinderindividuell die Körperschallsignale aufsummiert, wobei die Summation in jedem Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine beziehungsweise für jedes Arbeitsspiel des Zylinders neu beginnt. Es hat sich dabei als vorteilhaft und ausreichend erwiesen, wenn ein Drehwinkelbereich, beginnend bei 30° Kurbelwellenwinkel vor dem oberen Totpunkt, an dem die Zündung (Zünd-OT) stattfindet, beginnt und etwa 70° Kurbelwellenwinkel nach dem Zünd-OT endet. Innerhalb dieses Drehwinkelbereichs von insgesamt etwa 100° Kurbelwellenwinkel je Zylinder entstehen die durch die Verbrennung dieses Zylinders verursachten Körperschallsignale, deren Erfassung und Ermittlung Gegenstand des erfindungsgemäßen Verfahrens ist.
In einem darauf folgenden Block 48 werden die aufsummierten Körperschallsignale normiert oder standardisiert gemäß folgenden Gleichungen: u = (χ – μ)/σ v = σ × μmit

In 3 ist durch eine durchgezogene Linie 15 die Übertragungsfunktion der Brennkraftmaschine und die sogenannte A-Bewertung der Körperschallsignale, welche die Empfindlichkeit des menschlichen Gehörs in Abhängigkeit der auftretenden Frequenzen wiedergibt, dargestellt. Eine gestrichelte Linie 52 gibt die Kennlinie des Bandpassfilters 42, der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzt wurde, an.
In der 4 wird der Ablauf des Verfahrens gemäß der Ansprüche 7–12 dargestellt. Das Verfahren beginnt in einem Startblock 54. In einem Block 56 wird der Körperschall der Brennkraftmaschine der Brennkraftmaschine mit mindestens einem Körperschallsensor erfasst. Dabei ist die Erfassung des Körperschallsignals auf den Bereich der Vorverbrennung und/oder der Hauptverbrennung beschränkt. Es hat sich als ausreichend erwiesen, wenn innerhalb eines Kurbelwellenwinkelbereichs, beginnend mit 30° Kurbelwellenwinkel vor dem Zünd-OT und endend etwa 70° Kurbelwellenwinkel nach dem Zünd-OT für jeden Zylinder 14 der Brennkraftmaschine die Körperschallsignale erfasst wird.
In einem weiteren Block 58 werden die maximalen Gradienten des niederfrequenten Anteils des Körperschallsignals erfasst. Als Gradient wird, wie allgemein üblich, die erste Ableitung des Körperschallsignals nach der Zeit bezeichnet. Demzufolge sind die Körperschallgradienten zu den Zeitpunkten maximal, an denen sich die Intensität des Körperschallsignals am stärksten ändert.
Es hat sich weiter als vorteilhaft erwiesen, wenn eine gewichtete Linearkombination der maximalen Gradienten des Körperschallsignals während der Hauptverbrennung und während der Vorverbrennung gebildet wird. Diese optionale Bildung einer Linearkombination wird im Block 60 durchgeführt. Dabei wird die Linearkombination gemäß folgender Gleichung vorgenommen: DKSmax = (A × DKSmax,MI) + (B × DKSmax,PI)
Mit:

DKS_max,MI:: Maximaler Gradient des Körperschalls während der Hauptverbrennung
DKS_max,PI:: Maximaler Gradient des Körperschalls während der Vorbrennung
A, B:: Konstante

Es hat sich als ausreichend und zielführend erwiesen, wenn der maximale Gradient des Körperschallsignals in einem Frequenzband von 1,6 kHz bis 2,4 kHz ausgewertet wird.
Als besonders vorteilhaft hat sich eine Auswertungsfrequenz in der Nähe von 2 kHz erwiesen.
In 5 sind das aus dem Stand der Technik bekannte rechenzeitintensive Verfahren zur Ermittlung des Körperschalls sowie die beiden erfindungsgemäßen Verfahren dargestellt.
Eine Linie 62 stellt den emittierten Körperschall einer Brennkraftmaschine während 200 Arbeitsspielen dar. Dabei findet von 30. bis zum 40. Arbeitsspiel eine sprunghafte Änderung der Einspritzmenge statt. Die Einspritzmenge steigt von 6 mg auf etwa 10 mg.
In den Arbeitsspielen 125 bis 135 wird die Einspritzmenge ebenfalls wieder sprungartig von 10 mg auf 6 mg reduziert. Während dieser dynamischen Änderungen der Betriebszustände der Brennkraftmaschine treten bei der untersuchten Brennkraftmaschine die unerwünscht hohen Geräuschemissionen, die durch die Verbrennung verursacht sind, zutage.
Die Line 62, die das Ergebnis der nach dem Stand der Technik ermittelten Körperschallemissionen auf der Basis der Erfassung des im Brennraum wirkenden Drucks und dessen Auswertung erfolgt. Die Berechnung der Linie 62 ist sehr rechenzeitintensiv und gilt als Referenz für die Ergebnisse der erfindungsgemäßen Verfahren.
Die Linie 64 zeigt das Ergebnis des ersten erfindungsgemäßen Verfahrens, wonach die Energie des Körperschalls in einem bestimmten Frequenzband ermittelt wird (siehe Ansprüche 1–6), während die Linie 66 die Ergebnisse der Ermittlung des Körperschalls mit Hilfe der maximalen Gradienten des niederfrequenten Anteils des Körperschallsignals (siehe Ansprüche 7–12) erfolgt.
Durch den Vergleich der Referenz-Linie 62 mit den Linien 64 und 66 verdeutlichen, dass sowohl das Verfahren gemäß den Ansprüchen 1–6 (siehe Linie 64) als auch das Verfahren gemäß der Ansprüche 7–12 (siehe Linie 66) in den kritischen Bereichen mit ausreichender Genauigkeit die Veränderung der Körperschallemissionen anzeigen, so dass sowohl die Linie 64 als auch die Linie 66 eine geeignete Eingangsgröße ist, um im Steuergerät 38 die Einspritzung so zu steuern und zu regeln, dass diese Geräuschemissionen vermieden werden können.
Dabei ist al besonderer Vorteil zu erwähnen, dass, obwohl die Linien 64 und 66 bezüglich der Geräuschemissionen der Brennkraftmaschine die gleiche Aussagekraft und Qualität wie die Linie 62 haben, der Rechenzeitbedarf zur Erstellung der Linien 64 und 66 deutlich geringer ist als dies für die Linie 62 der Fall war. Aus diesem Grund ist es möglich, die den Linien 64 und 66 zugrundeliegenden Verfahren auch in einem Steuergerät 38 einer Brennkraftmaschine zu implementieren. Außerdem benötigen die erfindungsgemäßen Verfahren lediglich einen oder mehrere Körperschallsensoren 36 und nicht, wie das Verfahren nach dem Stand der Technik einen Brennraumdrucksensor für jeden Zylinder, der noch dazu mit einer zeitlich sehr hoch aufgelösten Erfassung des Drehwinkels der Kurbelwelle verknüpft werden muss.

Claims

Verfahren zur Ermittlung der Geräuschemissionen einer Brennkraftmaschine, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: Erfassen des Körperschalls der Brennkraftmaschine mit mindestens einem Körperschallsensor (36a, 36b, 36c) und Ermitteln der Energie des Körperschallsignals in einem bestimmten Frequenzband.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Körperschallsignal mittels eines Bandpassfilters (42) gefiltert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Betrag oder das Quadrat des ungefilterten oder des gefilterten Körperschallsignals für jeden Zylinder (14a bis 14d) der Brennkraftmaschine gesondert berechnet und aufsummiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterung des Körperschallsignals und/oder die Bildung des Betrags oder des Quadrats des ungefilterten oder des gefilterten Körperschallsignals und die anschließende Summation für jeden Zylinder nur innerhalb eines Drehwinkelbereichs der Kurbelwelle (30) beginnend bei etwa 30° Kurbelwellenwinkel vor dem Zünd-OT und endend bei etwa 70° Kurbelwellenwinkel nach dem Zünd-OT durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der aufsummierte Betrag oder das aufsummierte Quadrat des ungefilterten oder des gefilterten Körperschallsignals nach den folgenden Gleichungen normiert wird u = (χ – μ)/σund v = σ × μ mit: χ: Körperschallsignal μ: Erwartungswert σ: Standardabweichung v: Dichte
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Frequenzband innerhalb dessen die Energie des Körperschallsignals ermittelt wird, von 0,5 khz bis 3,0 khz reicht.
Verfahren zur Ermittlung der Geräuschemissionen einer Brennkraftmaschine, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: Erfassen des Körperschalls der Brennkraftmaschine mit mindestens einem Körperschallsensor (36a, 36b, 36c) und Ermitteln des maximalen Gradienten des niederfrequenten Anteils des Körperschallsignals.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der maximale Gradient des Körperschallsignals während der Hauptverbrennung und/oder während der Vorverbrennung erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine gewichtete Linearkombination der maximalen Gradienten des Körperschallsignals während der Hauptverbrennung und während der Vorverbrennung gebildet wird DKSmax = (A × DKSmax,MI) + (B × DKSmax,PI)Mit: DKS_max,MI: Maximaler Gradient des Körperschalls während der Hauptverbrennung DKS_max,PI: Maximaler Gradient des Körperschalls während der Vorbrennung A, B: Konstante
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Konstante A Werte zwischen 0 und 1 annimmt, und dass die Konstante B Werte zwischen 0 und 1 annimmt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der Konstanten A und B gleich 1 ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass der maximale Gradient des Körperschallsignals in einem Frequenzband von 1,6 kHz bis 2,4 kHz, bevorzugt in einem Frequenzband von 1,8 kHz bis 2,2 kHz, und besonders bevorzugt in einem Frequenzband von 1,95 kHz bis 2,05 kHz, ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren nur durchgeführt wird, wenn sich der Betriebszustand der Brennkraftmaschine ändert.
Computerprogramm, das auf einem Rechengerät, insbesondere einem Steuergerät zur Steuerung einer Brennkraftmaschine, ablauffähig ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Computerprogramm zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 1 programmiert ist, wenn das Computerprogramm auf dem Rechengerät abläuft.
Computerprogramm nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Computerprogramm auf einem Speicherelement, insbesondere auf einem dem Rechengerät zugeordneten Speicherelement, abgespeichert ist, wobei das Speicherelement als ein random access memory (RAM), ein read only memory (ROM), ein flash-Speicher, ein optisches Speichermedium oder ein magnetisches Speichermedium ausgebildet ist.