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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine sowie eine Brennkraftmaschine, die eingerichtet ist, um mit einem solchen Verfahren betrieben zu werden.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2013 215 924 A1 geht ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine hervor, bei welchem Brennräume der Brennkraftmaschine auf Klopfereignisse hin überwacht werden, wobei ein Einspritzbeginn und damit auch ein Entflammungszeitpunkt für einen Zylinder, für den ein Klopfereignis festgestellt wird, schrittweise nach spät verstellt wird, bis kein Klopfen mehr in dem Zylinder auftritt. Es ist auch grundsätzlich bekannt, solche Klopfereignisse aus Körperschallsignalen zu ermitteln, die insbesondere mit Klopfsensoren erfasst werden können. Es entstehen allerdings beim Betrieb einer Brennkraftmaschine auch Störsignale in Form von Körperschallschwingungen, die nicht auf Klopfereignisse zurückgehen. Beispielsweise kommt es im oberen Zünd-Totpunkt einer als Hubkolbenmotor ausgebildeten Brennkraftmaschine zu Anlagenwechseln der einzelnen Kolben, wenn diese einerseits durch den Lastwechsel in der Verbindung Pleuel-Kolben und andererseits durch den Brennraumdruck beaufschlagt werden. Solche Anlagenwechsel führen zu Körperschallschwingungen und in der Folge zu insbesondere durch Körperschallsensoren wie beispielsweise Klopfsensoren erfassbare Körperschallsignalen, die innerhalb eines zeitlichen Messfensters der Klopfregelung liegen. Diese Störsignale lassen sich also bezüglich ihres zeitlichen Auftretens nicht von Klopfereignissen separieren. Hinzu kommt, dass die Störsignale gleiche Frequenzanteile enthalten können wie durch Klopfereignisse erzeugte Körperschallsignale, sodass auch keine Frequenzfilterung zur Diskriminierung der verschiedenen Signale in Frage kommt. Übersteigen die Störsignale einen bestimmten Pegel, werden sie somit fälschlicherweise als Klopfen interpretiert, wobei dann Maßnahmen zur Verhinderung des Klopfens durch die Klopfregelung ergriffen werden. Dies hat negative Auswirkungen auf den Betrieb der Brennkraftmaschine: Zum einen wird deren Wirkungsgrad abgesenkt, zum anderen verringert die eingeleiteten Gegenmaßen nicht die auftretende Störung, sodass die Regelung letztlich in ihren Anschlag läuft und im schlimmsten Fall die Brennkraftmaschine durch einen Notstopp abstellt, um den vermeintlichen Schutz derselben zu gewährleisten.
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Aus der deutschen Patentschrift
DE 10 2015 105 220 B3 geht ein Verfahren zum Durchführen einer Klopfregelung bei einem Betrieb eines Verbrennungsmotors hervor, wobei eine Lautstärke der Verbrennung für wenigstens einen Zylinder des Verbrennungsmotors erfasst wird, wobei die erfasste Lautstärke mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen wird, um eine klopfende Verbrennung zu erkennen, wobei bei Erkennen einer klopfenden Verbrennung wenigstens ein Parameter für eine folgende Verbrennung eines Zylinders geändert wird, um eine klopfende Verbrennung wenigstens zu reduzieren, und wobei der Grenzwert abhängig von der Änderung des Parameters angepasst wird, und wobei für wenigstens eine folgende Verbrennung eines Zylinders der angepasste Grenzwert für die Erkennung einer klopfenden Verbrennung verwendet wird.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2013 221 993 A1 geht ein Verfahren zur Erkennung eines Klopfens einer Brennkraftmaschine hervor, bei welchem Körperschallsignale gemessen werden, aus welchen Körperschallmerkmale gewonnen werden. Bei einem Verfahren, welches eine besonders deutliche Klopferkennung ermöglicht, wird aus den Körperschallmerkmalen ein Spitzendruck für eine Verbrennung der Brennkraftmaschine geschätzt, und der geschätzte Spitzendruck wird mit einer Klopferkennungsschwelle verglichen, wobei bei einer Überschreitung der Klopferkennungsschwelle durch den geschätzten Spitzendruck auf ein Klopfen der Brennkraftmaschine erkannt wird.
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Aus der deutschen Patentschrift
DE 103 50 180 B4 geht ein Verfahren zur Analyse des Verbrennungsgeräuschs bei der Kraftstoffeinspritzung in einen Zylinder einer Brennkraftmaschine hervor, wobei das Verbrennungsgeräusch innerhalb eines Einspritzzyklus in einem Messfenster erfasst wird, das zu einem Drehwinkel der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine korrespondiert, wobei ein Algorithmus gebildet wird, mit dem für das Messfenster eine von Betriebsparametern abhängige variierbare Start- und/oder Endposition des Messfensters bestimmt wird, um das Verbrennungsgeräusch als individuellen Einspritzimpuls zu erfassen, wobei die Startposition und/oder die Länge des Messfensters durch Analyse der Hüllkurve bestimmt wird, die aus dem empfangenen Verbrennungsgeräusch gebildet wird, wobei von der Hüllkurve, die über zwei benachbarte Einspritzimpulse ermittelt wird, durch Tiefpassfilterung wenigstens ein lokaler Minimalwert bestimmt wird, dessen Position als Startposition für das Messfenster verwendet wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine sowie eine Brennkraftmaschine zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche geschaffen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine geschaffen wird, die wenigstens einen Brennraum aufweist, wobei für den wenigstens einen Brennraum im Betrieb der Brennkraftmaschine ein Körperschallsignal zeitabhängig erfasst wird. In einem vorbestimmten - insbesondere zeitlichen - Messfenster wird wenigstens eine Bewertungsgröße - die insbesondere keine Signalamplitude des Körperschallsignals ist - aus dem erfassten Körperschallsignal ermittelt, insbesondere berechnet, wobei die wenigstens eine Bewertungsgröße mit wenigstens einer vorbestimmten Vergleichsgröße verglichen wird, woraus wenigstens ein Vergleichsergebnis erhalten wird. Anhand des Vergleichsergebnisses wird dem Körperschallsignal entweder ein Klopfereignis in dem Brennraum oder ein Störsignal zugeordnet. Als Vergleichsgröße wird ein Schwellenwert verwendet, wobei dem Körperschallsignal ein Klopfereignis zugeordnet wird, wenn die Bewertungsgröße größer ist als die Vergleichsgröße, wobei dem Körperschallsignal ein Störsignal zugeordnet wird, wenn die Bewertungsgröße kleiner ist als die Vergleichsgröße. Dieser Vorgehensweise liegt die Erkenntnis zugrunde, dass beispielsweise in dem Messfenster durch Anlagenwechsel erzeugte Störsignale von Klopfereignissen durch Einführen einer Metrik separiert werden können, welche auf eine aus dem Körperschallsignal ermittelte Bewertungsgröße angewandt wird. Durch den Vergleich der Bewertungsgröße mit der Vergleichsgröße wird eine Metrik geschaffen, die es erlaubt, Klopfereignisse von Störsignalen zu unterscheiden. Es ist somit möglich, den relativen Anteil der falsch-positiv erkannten Klopfereignisse deutlich zu reduzieren, oder sogar falsch-positiv erkannte Klopfereignisse zu vermeiden, wodurch der Betrieb der Brennkraftmaschine insgesamt effizienter und wirtschaftlicher, der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine im Ergebnis erhöht wird, und Notstopp-Ereignisse vermieden werden.
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Dass das Körperschallsignal zeitabhängig erfasst wird, schließt ein, dass dieses explizit in Abhängigkeit der Zeit erfasst wird. Zusätzlich oder alternativ ist es auch möglich, dass das Körperschallsignal in Abhängigkeit von einem Kurbelwellenwinkel, also in Grad Kurbelwellenwinkel (°KW) erfasst wird. Es ist auch möglich, dass das Körperschallsignal zunächst mit expliziter Zeitabhängigkeit - insbesondere mit einer bestimmten Auflösung - erfasst, und dann, drehzahlabhängig, in ein von dem Kurbelwellenwinkel abhängiges Körperschallsignal umgerechnet oder transformiert wird. Über die momentane Drehzahl besteht dabei eine eindeutige Abhängigkeit zwischen der Zeit einerseits und dem Kurbelwellenwinkel andererseits.
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Es ist möglich, dass das Körperschallsignal nur in dem vorbestimmten Messfenster erfasst wird. Es ist aber auch möglich, dass das Körperschallsignal fortwährend erfasst, und nur innerhalb des vorbestimmten Messfensters - jedenfalls in Hinblick auf ein mögliches Klopfereignis - ausgewertet wird.
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Das vorbestimmte Messfenster ist vorzugsweise definiert durch einen bestimmten Kurbelwellenwinkel-Bereich, der vorzugsweise den oberen Zünd-Totpunkt (Zünd-OT) umfasst. Insbesondere ist es möglich, dass sich das vorbestimmte Messfenster - ausgedrückt in Grad Kurbelwellenwinkel - von 25 °KW vor dem Zünd-OT bis 55 °KW nach dem Zünd-OT, also von -25 °KW bis +55 °KW erstreckt, wenn der Zünd-OT per Konvention auf 0 °KW festgelegt wird, wobei sich das vorbestimmte Messfenster vorzugsweise von -20 °KW bis +50 °KW, vorzugsweise von -15 °KW bis +45 °KW, vorzugsweise von -10 °KW bis +40 °KW, vorzugsweise von -5 °KW bis +35 °KW, vorzugsweise von -2 °KW bis +30 °KW, vorzugsweise von -1 °KW bis +25 °KW erstreckt.
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Vorzugsweise wird die wenigstens eine Bewertungsgröße nur dann aus dem erfassten Körperschallsignal ermittelt, wenn dieses mit einem Maximum innerhalb des vorbestimmten Messfensters ein vorbestimmtes Grenz-Amplitudenmaximum, mithin einen vorbestimmten Pegel, überschreitet. Dieses Grenz-Amplitudenmaximum ist bevorzugt so gewählt, dass ein Klopfereignis zumindest mit hoher Sicherheit ausgeschlossen werden kann, wenn das Grenz-Amplitudenmaximum nicht überschritten wird. Es bedarf dann keiner weiteren Auswertung des Körperschallsignals, sodass die hiermit verbundene Rechenzeit und damit auch die entsprechenden Kosten eingespart werden können. Es wird also bevorzugt zunächst geprüft, ob das Körperschallsignal innerhalb des vorbestimmten Messfensters den vorbestimmten Grenz-Amplitudenwert übersteigt, wobei die weiteren Verfahrensschritte nur dann durchgeführt werden, wenn dies tatsächlich der Fall ist. Es hat sich insoweit auch gezeigt, dass der vorbestimmte Grenz-Amplitudenwert als solcher nicht ausreicht, um Klopfereignisse sicher von Störsignalen zu separieren.
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Es ist möglich, dass eine Mehrzahl von Bewertungsgrößen aus dem erfassten Körperschallsignal ermittelt wird. Bevorzugt werden dann die verschiedenen Bewertungsgrößen zur Unterscheidung zwischen Klopfereignisse und Störsignalen herangezogen, wobei besonders bevorzugt für jede Bewertungsgröße eine vorbestimmte Vergleichsgröße vorgesehen ist, wobei jede Bewertungsgröße mit der ihr jeweils zugeordneten vorbestimmten Vergleichsgröße verglichen wird. Es werden dann so viele Vergleichsergebnisse erhalten, wie Bewertungsgrößen verwendet werden. Die Entscheidung, ob ein Klopfereignis oder ein Störsignal vorliegt, wird dann vorzugsweise im Sinne einer Mehrheitsentscheidung getroffen. Ein Klopfereignis wird demnach dann erkannt, wenn die Mehrzahl der Vergleichsergebnisse hierauf hindeutet, wobei die Minderheit der Vergleichsergebnisse für ein Störsignal spricht. Umgekehrt wird ein Störsignal erkannt, wenn die Mehrheit der Vergleichsergebnisse hierauf hinweist, wobei die Minderheit der Vergleichsergebnisse für ein Klopfereignis charakteristisch ist. Auf diese Weise kann die Sicherheit der Unterscheidung zwischen Klopfereignissen einerseits und Störsignalen andererseits weiter gesteigert werden, wobei insbesondere auch der Anteil falsch-positiv erkannter Klopfsignale reduziert wird.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens eine Klopfverhinderungsmaßnahme durchgeführt wird, wenn dem Körperschallsignal ein Klopfereignis zugeordnet wird. Umgekehrt wird bevorzugt keine Klopfverhinderungsmaßnahme durchgeführt, wenn dem Körperschallsignal ein Störsignal zugeordnet wird. Auf diese Weise wird das unnötige und für den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine schädliche Einleiten einer Klopfverhinderungsmaßnahme unterbunden, wenn dem Körperschallsignal ein Störsignal zugeordnet wird. Als Klopfverhinderungsmaßnahme wird bevorzugt ein Entflammungszeitpunkt, insbesondere ein Einspritzzeitpunkt und/oder ein Zündzeitpunkt, für den wenigstens einen Brennraum nach spät, also näher an den oberen Zünd-Totpunkt heran, verstellt. Auf diese Weise kann ein Klopfen in dem wenigstens einen Brennraum verringert werden, wodurch die Brennkraftmaschine geschont wird. Der Entflammungszeitpunkt kann wieder nach früh verstellt werden, wenn keine Klopfereignisse mehr auftreten.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Körperschallsignal mittels eines Klopfsensors erfasst wird. Klopfsensoren haben sich als äußerst robust und langlebig sowie außerdem kostengünstig erwiesen. Es ist möglich, dass jedem Brennraum der Brennkraftmaschine - sofern diese eine Mehrzahl von Brennräumen aufweist - ein separater Klopfsensor zugeordnet ist. Es ist aber auch möglich, dass mehreren Brennräumen der Brennkraftmaschine ein gemeinsamer Klopfsensor zugeordnet ist, wobei dies ohne weiteres deswegen möglich ist, weil die verschiedenen vorbestimmten Messfenster für die verschiedenen Brennräume zeitlich auseinanderfallen. Insbesondere ist es möglich, dass die Brennkraftmaschine insgesamt nur einen Klopfsensor für alle Brennräume aufweist, oder dass die Brennkraftmaschine separate Klopfsensoren für verschiedene Brennraumgruppen aufweist, beispielsweise für jede Zylinderbank jeweils einen Klopfsensor.
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Alternativ ist es auch möglich, dass das Körperschallsignal mittels eines Brennraumdrucksensors erfasst wird. Insbesondere dann, wenn die Brennkraftmaschine ohnehin einen Brennraumdrucksensor aufweist, beispielsweise für eine Druckindizierung in dem wenigstens einen Brennraum, kann dieser vorteilhaft zur Erfassung des Körperschallsignals mitverwendet werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass als Bewertungsgröße eine Energiegröße des Körperschallsignals in dem vorbestimmten Messfenster ermittelt wird. Unter einer Energiegröße wird dabei eine Größe verstanden, die charakteristisch ist für die in dem Körperschallsignal innerhalb des vorbestimmten Messfensters enthaltene Energie. Insoweit hat sich herausgestellt, dass Klopfereignisse einerseits und Störsignale - insbesondere durch Anlagenwechsel eines Kolbens erzeugte Störsignale - andererseits auf der Energieskala jedenfalls so weit voneinander separieren, dass eine Unterscheidung anhand einer Energiegröße möglich ist. Dabei weisen auf Klopfereignisse zurückgehende Körperschallsignale typischerweise eine höhere Energie auf als Störsignale. Bildet man statistische Häufigkeiten von Klopfereignissen einerseits und Störsignalen andererseits über der Energieskala ab, zeigt sich, dass jedenfalls die Maxima der beiden Verteilungskurven deutlich voneinander getrennt sind. Somit ist es möglich, als vorbestimmte Vergleichsgröße einen Wert der Energiegröße festzulegen, oberhalb von dem das Körperschallsignal mit hoher Wahrscheinlichkeit durch ein Klopfereignis verursacht ist, wobei unterhalb dieses Werts dem Körperschallsignal mit hoher Wahrscheinlichkeit ein Störsignal zugeordnet werden kann. Mittels dieser Vorgehensweise kann der Anteil an falsch-positiv erkannten Klopfereignissen ausgehend von einem Vergleichszustand ohne Durchführung des Verfahrens deutlich reduziert werden.
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Zusätzlich oder alternativ wird als Bewertungsgröße bevorzugt eine zeitliche Länge eines Signalkurvenverlaufs des Körperschallsignals in dem vorbestimmten Messfenster ermittelt. Unter einem Signalkurvenverlauf des Körperschallsignals wird dabei dessen Verlauf von einem bestimmten Startwert bis zu einem bestimmten Endwert innerhalb des vorbestimmten Messfensters verstanden, wobei der bestimmte Startwert und der bestimmte Endwert so gewählt werden, dass eine Spitze oder ein Peak des Körperschallsignals in dem Intervall zwischen dem bestimmten Startwert und dem bestimmten Endwert liegt. Der Signalkurvenverlauf wird insbesondere ausgehend von einem ersten Signal-Schwellenwert des Körperschallsignals bis zu einem zweiten Signal-Schwellenwert betrachtet, wobei die zeitliche Länge zwischen einem dem ersten Signal-Schwellenwert zugeordneten Zeitindexwert bis zu einem dem zweiten Signal-Schwellenwert zugeordneten Zeitindexwert berechnet wird. Es hat sich insoweit herausgestellt, dass durch Klopfereignisse verursachte Körperschallsignale einerseits und Störsignale andererseits auch auf einer zeitlichen Längenskala deutlich voneinander separieren, wobei auf Klopfereignisse zurückzuführende Körperschallsignale einen deutlich längeren Signalkurvenverlauf aufweisen als Störsignale. Betrachtet man entsprechende Häufigkeitsverteilungen über der Längenskala, so zeigt sich auch, dass die maximalen Häufigkeitsverteilungen für die auf Klopfereignisse zurückgehenden Körperschallsignale einerseits und Störsignale andererseits deutlich voneinander getrennt sind. Es ist somit auch so möglich, als vorbestimmte Vergleichsgröße einen geeigneten zeitlichen Längenwert zu wählen, wobei mit hoher Sicherheit auf ein Klopfereignis erkannt werden kann, wenn die zeitliche Länge des Signalkurvenverlaufs länger ist als dieser vorbestimmte Längenwert, und wobei ein Störsignal erkannt wird, wenn die zeitliche Länge kürzer ist als dieser vorbestimmte Längenwert. Auf diese Weise kann der Anteil an falsch-positiv erkannten Klopfsignalen ausgehend von einem Vergleichszustand ohne Durchführung des Verfahrens deutlich reduziert werden.
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Alternativ oder zusätzlich ist vorgesehen, dass als Bewertungsgröße eine Signalformgröße des Körperschallsignals in dem vorbestimmten Messfenster ermittelt wird. Die Signalformgröße ist dabei insbesondere charakteristisch für eine Form des Signalkurvenverlaufs des Körperschallsignals. Es hat sich herausgestellt, dass eine gute Unterscheidung zwischen Klopf- und Störsignalen anhand der Signalform möglich ist.
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Besonders bevorzugt werden wenigstens zwei der Bewertungsgrößen, beispielsweise die Energiegröße einerseits und die zeitliche Länge des Signalkurvenverlaufs andererseits, kumulativ verwendet. Auf ein Klopfereignis wird dabei besonders bevorzugt erkannt, wenn die den beiden Bewertungsgrößen zugeordneten Vergleichsergebnisse für ein Klopfereignis sprechen, wobei auf ein Störsignal erkannt wird, wenn nur eines der beiden Vergleichsergebnisse oder kein Vergleichsergebnis für ein Klopfereignis spricht/sprechen. Es ist auch möglich, alle Bewertungsgrößen kumulativ zu verwenden. Die Genauigkeit des Verfahrens kann so durch die Verknüpfung der Bewertungsgrößen weiter gesteigert werden.
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Erfindungsgemäß wird als Vergleichsgröße ein Schwellenwert verwendet, wobei dem Körperschallsignal ein Klopfereignis in dem Brennraum zugeordnet wird, wenn die Bewertungsgröße größer ist als der Schwellenwert, und wobei dem Körperschallsignal ein Störsignal zugeordnet wird, wenn die Bewertungsgröße kleiner ist als der Schwellenwert. Insbesondere auf diese Weise kann wenigstens eine explizite Metrik zur Bewertung des Körperschallsignals bereitgestellt werden. Wie zuvor bereits ausgeführt, werden bevorzugt verschiedene Metriken verwendet, die kumulativ zur Diskriminierung von Klopfereignissen einerseits und Störsignalen andererseits eingesetzt werden.
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Die Vergleichsgröße wird vorzugsweise in Prüfstandversuchen bestimmt. Dabei ist es in Prüfstandversuchen möglich, auf verschiedene Weise eine klopfende Verbrennung von einem Störsignal zu unterscheiden, sodass es möglich ist, Häufigkeitsverteilungen, insbesondere in Form von Histogrammen, von Klopfereignissen einerseits und Störsignalen andererseits für Bewertungsgrößen zu erstellen, wobei dann, wenn die Häufigkeitsverteilungen von Störsignalen einerseits und Klopfereignissen andererseits für eine Bewertungsgröße deutlich separieren, eine geeignete Vergleichsgröße auf der Skala der Bewertungsgröße festgelegt werden kann, um eine möglichst sichere Unterscheidung zu gewährleisten.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Energiegröße ermittelt wird, indem das Körperschallsignal - gegebenenfalls nur in dem vorbestimmten Messfenster - quadriert wird, wobei das quadrierte Körperschallsignal über dem vorbestimmten Messfenster integriert wird. Auf diese Weise wird eine Messzahl erhalten, die jedenfalls für die in dem Körperschallsignal enthaltene Energie charakteristisch ist.
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Die zeitliche Länge des Signalkurvenverlaufs wird bevorzugt auf folgende Weise ermittelt: Das Körperschallsignal wird - gegebenenfalls nur innerhalb des Messfensters - quadriert, wobei das quadrierte Körperschallsignal mit einem Maximum (Peakwert) des quadrierten Körperschallsignals innerhalb des vorbestimmten Messfensters normiert wird. Dies geschieht insbesondere dadurch, dass das Maximum des quadrierten Körperschallsignals innerhalb des vorbestimmten Messfensters ermittelt wird, und dass danach das quadrierte Körperschallsignal insgesamt, also an jedem Punkt der Signalkurve, durch das ermittelte Maximum des quadrierten Körperschallsignals dividiert wird. Somit werden alle quadrierten Körperschallsignale auf einen maximalen Wert von 1 normiert. Für das normierte, quadrierte Körperschallsignal wird in dem Messfenster ein erster Zeitindexwert bei einem ersten Signal-Schwellenwert ermittelt, wobei ein zweiter - zeitlich späterer - Zeitindexwert bei einem zweiten Signal-Schwellenwert ermittelt wird. Der erste Signal-Schwellenwert und der zweite Signal-Schwellenwert sind vorzugsweise als prozentuale Schwellenwerte von dem Maximum des quadrierten Signalkurvenverlaufs definiert. Es ist möglich, dass der erste Signal-Schwellenwert und der zweite Signal-Schwellenwert gleich gewählt werden. Es ist aber auch möglich, dass verschiedene Werte für den ersten Signal-Schwellenwert einerseits und den zweiten Signal-Schwellenwert andererseits verwendet werden.
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Als erster Zeitindexwert wird der Zeitpunkt oder der Kurbelwellenwinkel verwendet, bei welchem erstmals der erste Signal-Schwellenwert erreicht wird - vor einem Durchlaufen des Maximums - wobei als zweiter Zeitindexwert derjenige Zeitpunkt oder der Kurbelwellenwinkel ermittelt wird, bei welchem der zweite Signal-Schwellenwert - nach Durchlaufen des Maximums - erreicht wird. Als zeitliche Länge wird die Differenz zwischen dem zweiten Zeitindexwert und dem ersten Zeitindexwert berechnet.
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Die zeitliche Länge wird vorzugsweise in °KW berechnet. Werden die Zeitindexwerte als Zeitpunkte erfasst, weil auch das Körperschallsignal explizit zeitabhängig erfasst wird, wird die zeitliche Länge bevorzugt berechnet, indem die Differenz der Zeitindexwerte multipliziert wird mit der zeitlichen Auflösung der Erfassung des Körperschallsignals in °KW - insbesondere abhängig von einer momentanen Drehzahl der Brennkraftmaschine.
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Die Signalformgröße wird vorzugsweise folgendermaßen ermittelt: Das Körperschallsignal wird - gegebenenfalls nur in dem vorbestimmten Messfenster - quadriert. Das quadrierte Körperschallsignal wird mit dem Maximum (Peakwert) des quadrierten Körperschallsignals innerhalb des vorbestimmten Messfensters normiert. Die Normierung erfolgt dabei so, wie dies zu der Ermittlung der zeitlichen Länge erläutert ist. Das normierte, quadrierte Körperschallsignal wird über dem vorbestimmten Messfenster integriert. Auf diese Weise wird die Signalformgröße als Messzahl erhalten, die für die Signalform charakteristisch ist. Die Signalformgröße ist dabei bis auf die Normierung analog zu der Energiegröße gebildet.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Körperschallsignal - insbesondere sowohl bei der Ermittlung der Energiegröße als auch bei der Ermittlung der zeitlichen Länge des Signalkurvenverlaufs und auch bei der Ermittlung der Signalformgröße - vor dem Quadrieren gefiltert wird. Dabei können insbesondere Störungen beseitigt werden, die bezüglich des Frequenzbands, indem sie auftreten, von dem Frequenzband separiert werden können, in welchem auf Klopfereignisse zurückführbare Körperschallsignale auftreten.
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Die Aufgabe wird schließlich auch gelöst, indem eine Brennkraftmaschine geschaffen wird, die eingerichtet ist zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens oder eines Verfahrens nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen. Dabei verwirklichen sich in Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden.
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Die Brennkraftmaschine weist insbesondere ein Steuergerät auf, welches eingerichtet ist zur Durchführung des Verfahrens. Dabei ist es möglich, dass ein separates Steuergerät zur Durchführung des Verfahrens vorgesehen ist. Besonders bevorzugt ist aber das Verfahren in ein zentrales Steuergerät, insbesondere ein Motorsteuergerät der Brennkraftmaschine (ECU) implementiert. In dem Steuergerät sind bevorzugt vorbestimmte Vergleichsgrößen als Schwellenwerte hinterlegt, die insbesondere in Prüfstandversuchen ermittelt worden sind.
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Die Brennkraftmaschine weist bevorzugt wenigstens einen Klopfsensor auf, der eingerichtet ist zur Erfassung von Körperschallsignalen, wobei der Klopfsensor außerdem mit dem Steuergerät zur Übermittelung von durch den Klopfsensor erfassten Körperschallsignalen an das Steuergerät wirkverbunden ist.
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Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Hubkolbenmotor ausgebildet. Es ist möglich, dass die Brennkraftmaschine zum Antrieb eines Personenkraftwagens, eines Lastkraftwagens oder eines Nutzfahrzeugs eingerichtet ist. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dient die Brennkraftmaschine dem Antrieb insbesondere schwerer Land- oder Wasserfahrzeuge, beispielsweise von Minenfahrzeugen, Zügen, wobei die Brennkraftmaschine in einer Lokomotive oder einem Triebwagen eingesetzt wird, oder von Schiffen. Auch ein Einsatz der Brennkraftmaschine zum Antrieb eines der Verteidigung dienenden Fahrzeugs, beispielsweise eines Panzers, ist möglich. Ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine wird vorzugsweise auch stationär, beispielsweise zur stationären Energieversorgung im Notstrombetrieb, Dauerlastbetrieb oder Spitzenlastbetrieb eingesetzt, wobei die Brennkraftmaschine in diesem Fall vorzugsweise einen Generator antreibt. Auch eine stationäre Anwendung der Brennkraftmaschine zum Antrieb von Hilfsaggregaten, beispielsweise von Feuerlöschpumpen auf Bohrinseln, ist möglich. Weiterhin ist eine Anwendung der Brennkraftmaschine im Bereich der Förderung fossiler Roh- und insbesondere Brennstoffe, beispielswiese Öl und/oder Gas, möglich. Auch eine Verwendung der Brennkraftmaschine im industriellen Bereich oder im Konstruktionsbereich, beispielsweise in einer Konstruktions- oder Baumaschine, zum Beispiel in einem Kran oder einem Bagger, ist möglich. Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Benzinmotor, als Gasmotor zum Betrieb mit Erdgas, Biogas, Sondergas oder einem anderen geeigneten Gas, oder als Zweistoff-Motor, insbesondere als Dual-Fuel-Motor, insbesondere für den Betrieb mit Benzin und Diesel und/oder mit Gas und Diesel, ausgebildet. Insbesondere wenn die Brennkraftmaschine als Gasmotor ausgebildet ist, ist sie für den Einsatz in einem Blockheizkraftwerk zur stationären Energieerzeugung geeignet.
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Zur Erfindung gehört auch ein Computerprogrammprodukt, welches Anweisungen aufweist, aufgrund derer ein erfindungsgemäßes Verfahren oder ein Verfahren nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsformen durchgeführt wird, wenn das Computerprogrammprodukt auf einer Recheneinrichtung, insbesondere einem Steuergerät einer Brennkraftmaschine, läuft.
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Zur Erfindung gehört weiter auch ein Datenträger, welcher ein solches Computerprogrammprodukt aufweist, beziehungsweise auf dem ein solches Computerprogrammprodukt gespeichert ist.
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Die Beschreibung des Verfahrens einerseits und der Brennkraftmaschine andererseits sind komplementär zueinander zu verstehen. Merkmale der Brennkraftmaschine, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Merkmale eines Ausführungsbeispiels der Brennkraftmaschine. Verfahrensschritte, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine erläutert wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Schritte einer Ausführungsform des Verfahrens. Das Verfahren zeichnet sich bevorzugt durch wenigstens einen Schritt aus, der durch wenigstens ein Merkmal eines erfindungsgemäßen oder bevorzugten Ausführungsbeispiels der Brennkraftmaschine bedingt ist. Die Brennkraftmaschine zeichnet sich bevorzugt durch wenigstens ein Merkmal aus, welches durch wenigstens einen Schritt einer erfindungsgemäßen oder bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens bedingt ist.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine, die eingerichtet ist zur Durchführung einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben derselben.
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Die einzige Fig. zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine 1, die eingerichtet ist zur Durchführung eines im Folgenden näher beschriebenen Verfahrens zu deren Betrieb. Die Brennkraftmaschine 1 weist wenigstens einen Brennraum 3 auf, der hier einerseits durch eine Zylinderwandung 5 und andererseits einen innerhalb der Zylinderwandung 5 und relativ zu der Zylinderwandung 5 repetierbar verlagerbaren Kolben 7 begrenzt ist. Die Brennkraftmaschine 1 ist somit bevorzugt als Hubkolbenmotor ausgebildet.
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Sie weist bevorzugt eine Mehrzahl von Brennräumen 3 auf. Insbesondere ist es möglich, dass die Brennkraftmaschine vier, sechs, acht, zehn, zwölf, vierzehn, sechzehn, achtzehn oder zwanzig Brennräume 3 aufweist. Es sind aber auch andere und/oder größere Brennraum-Anzahlen möglich.
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Dem Brennraum 3 ist hier ein Klopfsensor 9 zugeordnet, der eingerichtet ist zur Erfassung von Körperschallsignalen. Es ist möglich, dass jedem Brennraum 3 der Brennkraftmaschine 1 jeweils ein solcher Klopfsensor 9 zugeordnet ist. Es ist aber auch möglich, dass die Brennkraftmaschine 1 weniger Klopfsensoren 9 als Brennräume 3 aufweist, insbesondere kann sie nur einen Klopfsensor 9 aufweisen, oder aber verschiedene Klopfsensoren 9, die jeweils verschiedenen Brennraumgruppen zugeordnet sind, beispielsweise pro Zylinderbank der Brennkraftmaschine 1 einen Klopfsensor 9.
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Der Klopfsensor 9 ist mit einem Steuergerät 11 wirkverbunden, sodass durch den Klopfsensor 9 erfasste Körperschallsignale in dem Steuergerät 11 verarbeitet werden können. Das Steuergerät 11 ist hier wiederum mit einer Entflammungsvorrichtung 13 wirkverbunden, sodass ein Entflammungszeitpunkt, das heißt der Beginn einer chemischen Verbrennungsreaktion in dem Brennraum 3, durch das Steuergerät 11 vermittelt über die Entflammungsvorrichtung 13 vorgegeben werden kann. Bei der Entflammungsvorrichtung 13 kann es sich um einen Brennstoff-Injektor, insbesondere einen Zündöl-Injektor, eine Zündkerze, oder ein anderes geeignetes Mittel zur Vorgabe eines Entflammungszeitpunkts handeln. Durch geeignete Ansteuerung der Entflammungsvorrichtung 13 kann das Steuergerät 11 eine Klopfverhinderungsmaßnahme durchführen, wenn eine klopfende Verbrennung in dem Brennraum 3 erkannt wird.
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Durch den Klopfsensor 9 werden Körperschallsignale erfasst, wobei diese in einem dem Brennraum 3 zugeordneten, vorbestimmten, zeitlichen Messfenster in Hinblick auf das Auftreten eines Klopfereignisses ausgewertet werden. Dabei zeigt sich, dass Störsignale, beispielsweise aufgrund eines Anlagenwechsels des Kolbens 7 an der Zylinderwandung 5, bei Überschreitung eines bestimmten Pegels, insbesondere eines Grenz-Amplitudenwerts, fälschlicherweise als Klopfsignale, also auf ein Klopfereignis zurückgehende Körperschallsignale, identifiziert werden können. Dabei lassen sich solche Störsignale weder zeitlich noch im Frequenzspektrum von Klopfereignissen separieren.
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Um gleichwohl Klopfereignisse sicher von Störsignalen unterscheiden zu können, ist im Rahmen eines bevorzugten Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschine 1 vorgesehen, dass für den Brennraum 3 im Betrieb der Brennkraftmaschine 1 zeitabhängig durch den Klopfsensor 9 ein Körperschallsignal erfasst wird, wobei in dem vorbestimmten Messfenster wenigstens eine Bewertungsgröße aus dem erfassten Klopfsignal ermittelt, insbesondere berechnet wird. Die wenigstens eine Bewertungsgröße wird dann mit wenigstens einer vorbestimmten Vergleichsgröße verglichen, wobei die vorbestimmte Vergleichsgröße bevorzugt fest in dem Steuergerät 11 hinterlegt ist. Insbesondere ist für jede Bewertungsgröße, die im Rahmen des Verfahrens verwendet wird, eine separate vorbestimmte Vergleichsgröße hinterlegt. Die Vergleichsgrößen sind besonders bevorzugt in Prüfstandversuchen vorab ermittelt, wobei es bei Prüfstandversuchen möglich ist, Klopfereignisse durch verschiedene Messungen und/oder Kriterien von Störsignalen zu unterscheiden. Aus dem Vergleich der Bewertungsgröße mit der Vergleichsgröße wird wenigstens ein Vergleichsergebnis erhalten, und anhand des Vergleichsergebnisses wird dem Körperschallsignal ein Klopfereignis in dem Brennraum 3 oder ein Störsignal zugeordnet. Mittels der vorbestimmten Vergleichsgröße und deren Vergleich mit der Bewertungsgröße wird eine Metrik bereitgestellt, anhand derer es möglich ist, zwischen Klopfereignissen einerseits und Störsignalen andererseits zu unterscheiden.
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Vorzugsweise wird eine Mehrzahl von Bewertungsgrößen ermittelt, wobei jede Bewertungsgröße jeweils mit einer ihr zugeordneten vorbestimmten Vergleichsgröße verglichen wird. Auf diese Weise wird eine Mehrzahl von Vergleichsergebnissen erhalten. Die Entscheidung, ob ein Klopfereignis oder ein Störsignal vorliegt, wird dann bevorzugt im Sinne einer Mehrheitsentscheidung getroffen, wobei ein Klopfereignis insbesondere dann erkannt wird, wenn eine Mehrheit der Vergleichsergebnisse hierauf hinweist. Weist dagegen die Mehrheit der Vergleichsergebnisse auf ein Störsignal hin, oder liegen gleich viele Vergleichsergebnisse zugunsten eines Klopfereignisses wie zugunsten eines Störsignals vor, wird vorzugsweise auf ein Störsignal entschieden.
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Wird dem Köperschallsignal ein Klopfereignis zugeordnet, wird bevorzugt - insbesondere durch das Steuergerät 11, wenigstens eine Klopfverhinderungsmaßnahme durchgeführt. Hierzu wird besonders bevorzugt ein Entflammungszeitpunkt in dem Brennraum 3 durch geeignete Ansteuerung der Entflammungsvorrichtung 13 nach spät verstellt.
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Als Bewertungsgröße wird/werden bevorzugt eine Energiegröße und/oder eine Signalformgröße und/oder eine zeitliche Länge eines Signalkurvenverlaufs des Körperschallsignals in dem vorbestimmten Messfenster ermittelt.
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Als Vergleichsgröße wird bevorzugt ein Schwellenwert verwendet, wobei dem Körperschallsignal ein Klopfereignis zugeordnet wird, wenn die Bewertungsgröße größer ist als die Vergleichsgröße, wobei dem Körperschallsignal ein Störsignal zugeordnet wird, wenn die Bewertungsgröße kleiner ist als die Vergleichsgröße.
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Die Energiegröße wird bevorzugt ermittelt, indem das Körperschallsignal quadriert wird, wobei das quadrierte Körperschallsignal über dem vorbestimmten Messfenster integriert wird.
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Die zeitliche Länge des Signalkurvenverlaufs wird bevorzugt ermittelt, indem das Körperschallsignal quadriert wird, wobei das quadrierte Körperschallsignal mit einem Maximum des quadrierten Körperschallsignals innerhalb des vorbestimmten Messfensters normiert wird. Für das normierte und quadrierte Körperschallsignal werden in dem Messfenster ein erster Zeitindexwert bei einem ersten Signal-Schwellenwert und ein zweiter Zeitindexwert bei einem zweiten Signal-Schwellenwert ermittelt, wobei die zeitliche Länge dann als Differenz des zweiten Zeitindexwerts und des ersten Zeitindexwerts berechnet wird.
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Die Signalformgröße wird bevorzugt ermittelt, indem das Körperschallsignal quadriert wird, wobei das quadrierte Körperschallsignal mit einem Maximum des quadrierten Körperschallsignals in dem vorbestimmten Messfenster normiert wird, und wobei das normierte und quadrierte Körperschallsignal über dem vorbestimmten Messfenster integriert wird.
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Vorzugsweise wird das Körperschallsignal vor dem Quadrieren gefiltert.
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Mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren und der Brennkraftmaschine 1 ist es möglich, eine unnötige Herabsetzung des Wirkungsgrads und der Leistung der Brennkraftmaschine sowie einen Notstopp in Folge mehrfach falsch-positiv erkannter Klopfereignisse zu verhindern.