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DE10356133A1 - Diesel engine combustion engine combustion initiation time measurement procedure uses acceleration value from differentiated crank shaft angular velocity meaurement - Google Patents

Diesel engine combustion engine combustion initiation time measurement procedure uses acceleration value from differentiated crank shaft angular velocity meaurement Download PDF

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DE10356133A1
DE10356133A1 DE2003156133 DE10356133A DE10356133A1 DE 10356133 A1 DE10356133 A1 DE 10356133A1 DE 2003156133 DE2003156133 DE 2003156133 DE 10356133 A DE10356133 A DE 10356133A DE 10356133 A1 DE10356133 A1 DE 10356133A1
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combustion
determination
angular velocity
torque
cylinder
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Hermann Dr.-Ing. Fehrenbach
Martin Dr.-Ing. Ruckhäberle
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Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Abstract

A diesel engine combustion initiation time measurement procedure uses a crank shaft angular velocity measurement to derive angular acceleration from differentiation of an interpolated error corrected angle sensor filtered with an low pass FIR (Finite Impulse Response) filter. Independent claims are included for equipment using the procedure.

Description

Anwendungsgebietfield of use

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung des Zeitpunkts des Beginns des Verbrennungsvorgangs in Verbrennungskraftmaschinen, im Folgenden als Brennbeginn bezeichnet, insbesondere von Dieselmotoren.The The present invention relates to a method and an apparatus for determining the time of commencement of the combustion process in internal combustion engines, hereinafter referred to as start of combustion, in particular of diesel engines.

Eine wesentliche Kenngröße für die Beurteilung des Verbrennungsverlaufs in Verbrennungskraftmaschinen ist der Brennbeginn. Die Kenntnis über den genauen Brennbeginn ist zur Regelung und Steuerung des Verbrennungsverlaufs sowohl für den Dieselmotor als auch den Ottomotor notwendig. Beim Ottomotor wird die Entflammung des Kraftstoff-Luftgemischs durch eine Zündkerze initiiert. Je nach Entwicklung des Flammenkerns vergeht eine gewisse Zeit, bis ein vorgegebener Anteil der durch den Kraftstoff zugeführten Wärmemenge umgesetzt wurde. Beim Ottomotor ist man bestrebt, diesen sogenannten Zündverzug gering zu halten, um unkontrollierte Selbstzündungen zu vermeiden.A essential parameter for the assessment the combustion process in internal combustion engines is the start of combustion. The knowledge about the exact start of combustion is for the regulation and control of the combustion process as well as the diesel engine and the gasoline engine necessary. When gasoline engine is the ignition of the fuel-air mixture by a spark plug initiated. Depending on the development of the flame kernel, a certain amount passes Time until a predetermined proportion of the amount of heat supplied by the fuel was implemented. When gasoline engine, one strives to this so-called ignition delay low to avoid uncontrolled auto-ignition.

Beim Dieselmotor vergeht zwischen Einspritzzeitpunkt des Kraftstoffs in den Brennraum und dem Zeitpunkt der Entflammung ebenfalls ein gewisser Zündverzug. Der Zündverzug hängt von der Art des Kraftstoffs, der Temperatur und dem Druck im Brennraum ab, daher ist der genaue Zeitpunkt des Verbrennungsbeginns nur schwer vorhersehbar. Auch hier wird angestrebt, den Zündverzug gering zu halten, um die Geräuschentwicklung günstig zu gestalten, sogenannte Klopfgeräusche zu vermeiden und einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen. Andererseits bewirkt ein später Beginn der Verbrennung eine Reduktion der Spitzentemperatur und damit eine Reduktion der Stickoxidbildung. Der Brennbeginn sollte daher möglichst so geregelt werden können, dass er aus genannten Gründen nicht zu früh und nicht zu spät erfolgt. Insbesondere bei neueren Verbrennungsmethoden, wie der homogenen oder teilhomogenen Verbrennung, ist man darauf angewiesen, den Brennbeginn genau bestimmen zu können, um den Verbrennungsablauf steuern bzw. regeln zu können.At the Diesel engine passes between injection time of fuel into the combustion chamber and the time of ignition also one certain ignition delay. The ignition delay depends on the type of fuel, the temperature and the pressure in the combustion chamber Therefore, the exact timing of the start of combustion is difficult predictable. Again, the aim is to keep the ignition delay low, to the noise Cheap to design, so-called knocking sounds to avoid and one to achieve high efficiency. On the other hand, a later start combustion a reduction in peak temperature and therefore one Reduction of nitric oxide formation. The start of burning should therefore be as possible can be regulated that he mentioned reasons not too soon and not too late he follows. Especially with newer combustion methods, such as homogeneous or partially homogeneous combustion, one is dependent on To be able to determine the start of burning precisely to the combustion process to control or regulate.

Stand der TechnikState of technology

Aus dem Stand der Technik sind direkte und indirekte Verfahren zur Bestimmung des Verbrennungsbeginns bekannt. Direkte Verfahren basieren auf der Messung und Auswertung des Brennraumdruckverlaufs. Hierzu wird der von Sensoren direkt im Brennraum gemessene Druckverlauf thermodynamisch ausgewertet und man erhält damit ein Maß für den Brennbeginn. Diese Methode stellt in der Motorentwicklung das Standardverfahren dar. Es weist den Nachteil auf, dass der Aufwand für die Sensoren und die Auswertung sehr hoch ist, besonders da in der Regel in jedem Zylinder ein Sensor benötigt wird. Der Einbau der Brennraumdrucksensoren in den Zylinderkopf ist recht aufwändig. Problematisch ist auch, dass die Sensoren, die in den Brennraum hineingerichtet sind, dort dem hohen Druck und der Verbrennung direkt ausgesetzt sind und meist nicht die erforderliche Dauerfestigkeit aufweisen. Daher wird dieses direkte Verfahren in der Regel nur im Labor eingesetzt.Out The prior art discloses direct and indirect methods of determination the beginning of combustion known. Direct procedures are based on the measurement and evaluation of the combustion chamber pressure curve. For this purpose is the pressure curve measured by sensors directly in the combustion chamber thermodynamic evaluated and you get thus a measure of the start of burning. This method is the standard procedure in engine development It has the disadvantage that the effort for the sensors and the evaluation is very high, especially since usually in each Cylinder requires a sensor becomes. The installation of the combustion chamber pressure sensors in the cylinder head is quite expensive. Another problem is that the sensors in the combustion chamber are there, there high pressure and combustion directly are exposed and usually not the required fatigue strength exhibit. Therefore, this direct procedure is usually only used in the laboratory.

Indirekte Verfahren leiten den Brennbeginn zum Beispiel aus Beschleunigungssignalen ab, die am Zylinderkopf eines oder mehrerer Zylinder gemessen werden. Die Brennbeginnbestimmung auf der Basis von Beschleunigungssignalen ist in der Dissertation "Modellbasierte Regelung ausgewählter Antriebskomponenten im Kraftfahrzeug" von Ralf Schernewski, Institut für Industrielle Informationstechnik der Universität Karlsruhe, 1999, S.132-143 beschrieben worden. Diese Signale werden ähnlich wie bei der Klopferkennung verarbeitet. Mit Hilfe der Hüllkurvenanalyse (Bandpass, Gleichrichtung, Tiefpass) werden die Beschleunigungssignale demoduliert. Anschließend wird das Demodulationsergebnis integriert und der Winkel, an dem ein gewisser Schwellwert überschritten wird, als Maß für den Brennbeginn benutzt.indirect Methods, for example, initiate the start of combustion from acceleration signals which are measured on the cylinder head of one or more cylinders. The start of combustion determination on the basis of acceleration signals is in the dissertation "Model-based Regulation of selected Drive components in the motor vehicle "by Ralf Schernewski, Institute of Industrial Information Technology of the University of Karlsruhe, 1999, p.132-143 been described. These signals will be similar to the knock detection processed. Using the envelope analysis (Bandpass, rectification, low pass) become the acceleration signals demodulated. Subsequently the demodulation result is integrated and the angle at which exceeded a certain threshold becomes, as measure for the beginning of burning used.

Darüber hinaus existieren Verfahren, die den Brennbeginn aus Ionenstromsignalen gewinnen. Ein solches Verfahren ist aus EP1113255A2 bekannt. Hier wird eine Ionenstrommessung direkt im Brennraum eines Dieselmotors durchgeführt, um anhand von dem somit gewonnenen Ionenstromsignal eine Aussage über den Verbrennungsverlauf im Brennraum zu treffen.In addition, there are methods that gain the start of combustion from ion current signals. Such a procedure is over EP1113255A2 known. Here, an ion current measurement is carried out directly in the combustion chamber of a diesel engine in order to make a statement about the combustion process in the combustion chamber based on the thus obtained ion current signal.

Die auf Beschleunigungsverfahren basierenden indirekten Verfahren haben den Nachteil des in der Praxis auftretenden geringen Störabstands der gemessenen Signale gegenüber nicht verbrennungsbedingtem Körperschall. Öffnungs- und Schließvorgänge der Gaswechselventile und sonstige impulsartige Geräusche überlagern sich den Verbrennungsgeräuschen. Die Erkennung des tatsächlichen Brennbeginns ist auf Grund des schlechten Störabstands mit großen Unsicherheiten verbunden. Dies gilt ebenfalls für Verfahren, die auf Ionenstromsignalen basieren.The acceleration methods based on indirect methods the disadvantage of occurring in practice low signal to noise ratio compared to the measured signals Non-combustion-related structure-borne sound. opening and closing operations of Gas exchange valves and other impulsive noises are superimposed on the combustion noise. The detection of the actual Burning start is due to the poor signal to noise ratio with great uncertainties connected. This also applies to Methods based on ion current signals.

Aufgabe der ErfindungTask of invention

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung für die sichere Bestimmung des Brennbeginns mit geringem sensorischen Aufwand bei gutem Störabstand anzugeben.The The object of the present invention is a method and a device for the safe determination of the start of burning with low sensory Effort with good signal to noise ratio specify.

Darstellung der Erfindungpresentation the invention

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren des Hauptanspruchs 1 gelöst. Der Anspruch 18 gibt eine Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens nach dem Anspruch 1 an. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Verfahren sind Gegenstand der Unteransprüche.The object is achieved by the method of the main claim 1 solved. Claim 18 specifies a device for carrying out the method according to claim 1. Advantageous embodiments of the method are the subject of the dependent claims.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass aus der Messung der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle und einer digitalen Weiterverarbeitung der gemessenen Signale mit relativ geringem Aufwand der Brennbeginn genau und zuverlässig bestimmt werden kann. Im Gegensatz zu dem oben erwähnten bereits bekannten Verfahren kann auf Messungen direkt im Brennraum verzichtet werden. Dies hat den Vorteil, dass die verwendeten Sensoren zur Messung der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle einem weitaus geringeren Verschleiß ausgesetzt sind, als die Sensoren im Brennraum bei den bekannten Verfahren. Zudem sind die Störanteile bei der Erfindung geringer als bei den Verfahren aus dem Stand der Technik.Of the The present invention is based on the finding that from the Measuring the angular velocity of the crankshaft and a digital Further processing of the measured signals with relatively little effort the start of burning accurate and reliable can be determined. In contrast to the one already mentioned above known methods can do without measurements directly in the combustion chamber become. This has the advantage that the sensors used for Measuring the angular velocity of the crankshaft a far exposed to less wear are as the sensors in the combustion chamber in the known method. moreover are the disturbance parts in the invention less than in the methods of the prior Technology.

Gemäß der Erfindung wird zunächst die Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle bestimmt. Hierzu sind aus dem Stand der Technik bereits Verfahren bekannt. Eine bevorzugte Ausführungsform ist in dem Patent DE4445684C2 „Verfahren zur Ermittlung von Drehmomenten, Arbeiten und Leistungen an Verbrennungskraftmaschinen" beschrieben. Das Verfahren beruht auf dem vorzugsweise berührungsfreien Erfassen der Winkelgeschwindigkeit an einem Drehgeberrad mit Zahnkranz, das auf der Kurbelwelle befestigt ist. Solch ein Drehgeberrad mit einem Sensor zur Erfassung der Drehbewegung ist heute standardmäßig in den meisten Kraftfahrzeugen eingebaut. Durch Differentiation, insbesondere mit einem FIR-Differenzierfilter, wird die Winkelbeschleunigung berechnet. In der Patentanmeldung WO03/062620A1 "Verfahren zur Bestimmung und Kompensation von Geometriefehlern eines Drehgeberrades" wird beschrieben, wie bei diesem Verfahren geometrische Fehler des Drehgeberrades ermittelt und kompensiert werden können und so eine hochgenaue Bestimmung der Winkelgeschwindigkeit realisierbar ist. Mit der durch diese bekannten Verfahren bestimmten Winkelbeschleunigung wird dann durch weitere digitale Signalverarbeitung der Brennbeginn bestimmt. Hierzu werden erfindungsgemäß mehrere Vorgehensweisen vorgeschlagen: Einerseits kann mit Hilfe des Winkelrucks, der zweiten Ableitung der Winkelgeschwindigkeit, der Brennbeginn bestimmt werden. Bei allen anderen beschriebenen Verfahren muss zunächst das Nettodrehmoment bestimmt werden. Es werden drei Verfahren beschrieben, die auf der Basis des Phasenwinkels des zylinderspezifischen Nettodrehmoments den Brennbeginn bestimmen. Es ist auch möglich, den Drehmomentenanteil resultierend aus Kompression und Expansion rechnerisch zu bestimmen und damit den rein verbrennungsbedingten Drehmomentenanteil zu berechnen. Anhand des rein verbrennungsbedingten Drehmomentenanteils lässt sich der Brennbeginn zum Beispiel durch die Lage einer Schwellwertüberschreitung ableiten. Ein weiteres Verfahren besteht in der Berechnung des zylinderspezifischen Druckverlaufs auf Basis des Nettodrehmoments mit Hilfe von modellbasierten Gleichungen und einer darauf folgenden Druckverlaufsanalyse, mit der der Brennbeginn bestimmt wird.According to the invention, first the angular velocity of the crankshaft is determined. For this purpose, methods are already known from the prior art. A preferred embodiment is in the patent DE4445684C2 The method is based on the preferably non-contact detection of the angular velocity on a sprocket wheel with sprocket mounted on the crankshaft Such a rotary encoder wheel with a sensor for detecting the rotational movement is today By differentiation, in particular with an FIR differentiation filter, the angular acceleration is calculated In patent application WO03 / 062620A1 "Method for Determining and Compensating Geometric Errors of a Rotary Encoder Wheel" is described, as in this method geometrical errors of the encoder wheel can be determined and compensated, and thus a highly accurate determination of the angular velocity can be realized. With the angular acceleration determined by these known methods, the start of combustion b is then determined by further digital signal processing estimmt. For this purpose, several approaches are proposed according to the invention: On the one hand, with the aid of the angular pressure, the second derivative of the angular velocity, the start of combustion can be determined. For all other methods described, the net torque must first be determined. Three methods are described which determine the start of burning on the basis of the phase angle of the cylinder specific net torque. It is also possible to computationally determine the torque component as a result of compression and expansion and thus calculate the purely combustion-related torque component. On the basis of the purely combustion-related torque component, the start of combustion can be derived, for example, by the position of a threshold value overshoot. Another method is to calculate the cylinder-specific pressure curve on the basis of the net torque with the help of model-based equations and a subsequent pressure curve analysis, with which the start of combustion is determined.

Durch die relativ einfach realisierbare, genaue Bestimmung des Brennbeginns lässt sich der Zeitpunkt des Verbrennungsbeginns auch während des normalen Fahrbetriebs genau erfassen und regeln, dies ist insbesondere bei neueren Verbrennungsmethoden, wie der homogenen oder teilhomogenen Verbrennung wichtig. Ein später Beginn der Verbrennung wird zum Beispiel oft als Mittel zur Reduktion der Spitzentemperatur und damit zur Reduktion der Stickoxidbildung herangezogen. Dies ermöglicht eine kraftstoffsparende und fast rußfreie Verbrennung in Dieselmotoren. Eine weitere wichtige Anwendung der vorliegenden Erfindung liegt in der Reduzierung von störenden Klopfgeräuschen durch Regelung des Verbrennungsbeginns.By the relatively easy to implement, accurate determination of the start of burning let yourself the time of the start of combustion even during normal driving precisely record and control, this is particularly the case with new combustion methods, as the homogeneous or partially homogeneous combustion important. A late beginning For example, combustion is often used as a means of reducing Peak temperature and thus used for the reduction of nitrogen oxide formation. this makes possible a fuel-efficient and almost soot-free combustion in diesel engines. Another important application of the present invention is in the reduction of disturbing knocking sounds by controlling the start of combustion.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert erläutert. Es zeigen:preferred embodiments The present invention will be described below with reference to FIGS attached drawings explained in detail. Show it:

1 ein Prinzipblockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung der Winkelbeschleunigung; 1 a schematic block diagram of a device according to the invention for determining the angular acceleration;

2 ein Prinzipblockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung des Brennbeginns basierend auf dem Winkelruck; 2 a schematic block diagram of a device according to the invention for determining the start of firing based on the angular pressure;

3 ein Prinzipblockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung des Brennbeginns basierend auf dem zylinderspezifischen Phasenwinkel des Nettodrehmoments; 3 a schematic block diagram of a device according to the invention for determining the Brennbe ginns based on the cylinder specific phase angle of the net torque;

4 Simulationsergebnisse für den Verlauf des Brennraumdrucks bei einem Mitteldruck von ca. 6 bar und einer Drehzahl von 3000 Upm; der Brennbeginn wurde zwischen 0° und 10° Kurbelwinkel variiert; 4 Simulation results for the course of the combustion chamber pressure at a mean pressure of about 6 bar and a speed of 3000 rpm; the start of combustion was varied between 0 ° and 10 ° crank angle;

5 Simulationsergebnisse für den Verlauf des Wechseldrehmoments bei einem Mitteldruck von ca. 6 bar und einer Drehzahl von 3000 Upm in einem Kurbelwinkelbereich von 120°; der Brennbeginn wurde zwischen 0° und 10° Kurbelwinkel variiert; 5 Simulation results for the course of the alternating torque at a mean pressure of about 6 bar and a speed of 3000 rpm in a crank angle range of 120 °; the start of combustion was varied between 0 ° and 10 ° crank angle;

6 ein Simulationsergebnis für den Verlauf des Wechseldrehmoments bei einem Mitteldruck von ca. 6 bar und einer Drehzahl von 3000 Upm vor und nach der digitalen Tiefpassfilterung; 6 a simulation result for the course of the alternating torque at a mean pressure of about 6 bar and a speed of 3000 rpm before and after digital low-pass filtering;

7 Simulationsergebnisse für den Verlauf des Wechseldrehmoments bei einem Mitteldruck von ca. 6 bar und einer Drehzahl von 3000 Upm nach der digitalen Tiefpassfilterung in einem Bereich von 30° Kurbelwinkel nach dem oberen Totpunkt (OT); der Brennbeginn wurde zwischen 0° und 10° Kurbelwinkel variiert; 7 Simulation results for the course of the alternating torque at a mean pressure of about 6 bar and a speed of 3000 rpm after digital low-pass filtering in a range of 30 ° crank angle after top dead center (TDC); the start of combustion was varied between 0 ° and 10 ° crank angle;

8 ein Prinzipblockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung des Brennbeginns basierend auf dem rein verbrennungsbedingten Drehmomentenanteil; 8th a schematic block diagram of a device according to the invention for determining the start of combustion based on the pure combustion-related torque component;

9 ein Prinzipblockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung des Brennbeginns basierend auf einer Druckverlaufsanalyse des zylinderspezifischen Druckverlaufs. 9 a schematic block diagram of an inventive device for determining the start of combustion based on a pressure curve analysis of the cylinder-specific pressure curve.

1 zeigt ein Prinzipblockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung der Winkelbeschleunigung. In Einrichtung 11 wird zunächst die Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle, insbesondere anhand eines berührungsfreien Erfassens der Drehbewegung eines Drehgeberrads, gemessen. Das Drehgeberrad weist vorzugsweise einen Zahnkranz auf, so dass die zeitliche Abfolge der Zähne in an sich bekannter Weise durch einen Sensor erfasst werden kann. Das Erfassen der Zähne als Inkremente erfolgt typischerweise optisch oder induktiv. Das Drehgeberrad weist aus fertigungstechnischen oder montagebedingten Gründen unvermeidbare geometrische Drehgeberradfehler, z.B. nicht exakte Abstände der Zähne des Zahnkranzes, auf, die zu Messfehlern der Winkelgeschwindigkeit führen. Die gemessene Winkelgeschwindigkeit ωmessergibt sich durch

Figure 00060001
mit dem als ideal angenommenen, konstanten Winkelabstand Δφsoll zwischen zwei Inkrementen und der Periodendauer ΔT , die aus der Auswertung des Sensorsignals bestimmt wird. Da das reale Winkelinkrement Δφreal fehlerbehaftet ist, d.h. Δφreal = Δφsoll + Δφe, ist auch die gemessene Winkelgeschwindigkeit fehlerbehaftet. Um die Korrektur durchführen zu können, muss vorab der individuelle Drehgeberradfehler durch Messungen bestimmt werden. In Einrichtung 17 wird der Geberradfehler ermittelt, der Fehler wird dann an die Einrichtung 12 weitergegeben, in der die mit dem Geberradfehler behaftete Winkelgeschwindigkeit korrigiert wird. Zur Ermittlung des Drehgeberradfehlers und zur Korrektur des Fehlers sind aus dem Stand der Technik Verfahren bekannt, bevorzugt wird das Verfahren, das aus der Patentanmeldung WO03/062620A1 bekannt ist. Hier wird bei einer zeitlich veränderlichen Wellendrehzahl eine Messung des Winkelgeschwindigkeitsverlaufs der Kurbelwelle, sowie eine Mittelung über die bei der Messung gewonnenen Wellendrehzahlsignale durchgeführt. Die Mittelung wird innerhalb eines Wellendrehzahlbereichs durchgeführt, in dem sich die Auswirkungen der im Verbrennungsmotor auf die Kurbelwelle einwirkenden Gas- und Massenmomente auf die Kurbelwellenwinkelgeschwindigkeit gegenseitig zumindest statistisch aufheben. Auf Grundlage des Winkelgeschwindigkeitsverlaufs werden die Geometriefehler des Drehgeberrads ermittelt. Die zugehörigen Verfahrensschritte zur Ermittlung und Korrektur des Geberradfehlers sind der genannten Veröffentlichung zu entnehmen. 1 shows a schematic block diagram of a device according to the invention for determining the angular acceleration. In facility 11 First, the angular velocity of the crankshaft, in particular based on a non-contact detection of the rotational movement of a rotary encoder, measured. The rotary encoder wheel preferably has a sprocket, so that the time sequence of the teeth can be detected in a conventional manner by a sensor. The detection of the teeth as increments is typically optical or inductive. The encoder wheel has manufacturing or assembly-related reasons unavoidable geometrical Drehgeberradfehler, eg not exact distances of the teeth of the ring gear, which lead to measurement errors of the angular velocity. The measured angular velocity ω mess results from
Figure 00060001
with the assumed as ideal, constant angular distance Δφ soll between two increments and the period .DELTA.T, which is determined from the evaluation of the sensor signal. Since the real angle increment Δφ real is error-prone, ie Δφ real = Δφ soll + Δφ e , the measured angular velocity is also error-prone. In order to carry out the correction, the individual encoder error must first be determined by measurements. In facility 17 the encoder wheel error is determined, the error is then sent to the device 12 passed, in which the angular error associated with the encoder wheel error is corrected. In order to determine the encoder wheel error and to correct the error, methods are known from the prior art; the method known from the patent application WO03 / 062620A1 is preferred. Here, at a time-variable shaft speed, a measurement of the angular velocity curve of the crankshaft, as well as an averaging over the wave speed signals obtained during the measurement is performed. The averaging is carried out within a shaft speed range in which the effects of the gas and mass torques acting on the crankshaft in the internal combustion engine on the crankshaft angular velocity cancel each other out at least statistically. Based on the angular velocity curve, the geometrical errors of the encoder wheel are determined. The associated method steps for determining and correcting the encoder wheel error can be found in the cited publication.

Durch die Korrektur des Geberradfehlers erhält man ein sehr genaues Winkelgeschwindigkeitssignal. Dieses Signal wird in Einrichtung 13 interpoliert, bevorzugt auf eine Auflösung von 1 ° bis 2°, und danach erfolgt in Einrichtung 14 eine Filterung mit einem Tiefpass, vorzugsweise mit einem FIR-Tiefpass. Die Interpolation kann mit jedem bekannten Interpolationsverfahren, wie z. B. lineare Interpolation oder Splines-Interpolation, durchgeführt werden. Die Grenzfrequenz des Tiefpasses hängt von der weiteren Vorgehensweise ab. Wird der Verbrennungsbeginn mit Hilfe des Winkelrucks ermittelt, muss die ideale Grenzfrequenz experimentell bestimmt werden. Wird der Verbrennungsbeginn mit Hilfe des zylinderspezifischen Phasenwinkels des Nettodrehmoments bestimmt, ist es vorteilhaft, als Grenzfrequenz die Zündfrequenz des Motors zu wählen. Zur Bestimmung der Winkelbeschleunigung wird in Einrichtung 15 das Signal differenziert, vorzugsweise wird die Differentiation mit einem FIR-Differenzierfilter durchgeführt. Die Verwendung von FIR-Filtern hat den Vorteil, dass Laufzeitverzerrungen vermieden werden und FIR-Filter stabil sind. Die Laufzeit der Filteranordnung ist konstant und lediglich von der Filterlänge abhängig. Das FIR-Differenzierfilter hat den weiteren Vorteil, dass die Differenzier-Bandbreite wählbar ist. Eine Begrenzung der Bandbreite ist bei der Differentiation in der Regel erforderlich.Correcting the encoder wheel error gives a very accurate angular velocity signal. This signal is in setup 13 interpolated, preferably to a resolution of 1 ° to 2 °, and then done in facility 14 a filtering with a low pass, preferably with a FIR low pass. The interpolation can be performed with any known interpolation method, such. As linear interpolation or splines interpolation, are performed. The cutoff frequency of the low pass depends on the further procedure. If the start of combustion is determined by means of angular pressure, the ideal cut-off frequency must be determined experimentally. If the start of combustion is determined with the aid of the cylinder-specific phase angle of the net torque, it is advantageous to select the ignition frequency of the engine as the cutoff frequency. To determine the angular acceleration is in device 15 the signal differentiates, preferably the differentiation is performed with an FIR differentiation filter. The use of FIR filters has the advantage that Runtime distortions are avoided and FIR filters are stable. The running time of the filter arrangement is constant and only dependent on the filter length. The FIR differentiation filter has the further advantage that the differentiation bandwidth can be selected. Limiting the bandwidth is usually required in differentiation.

2 zeigt ein Prinzipblockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung des Brennbeginns basierend auf dem Winkelruck. Der Winkelruck ist die zweite Ableitung der Winkelgeschwindigkeit und beschreibt damit die Änderung der Winkelbeschleunigung. Nachdem entweder beim Ottomotor die Zündung bzw. beim Dieselmotor die Einspritzung erfolgte, ist nach Einsetzen der Verbrennung der Gradient des Brennraumdrucks höher als bei der Expansion ohne Verbrennung. Infolgedessen ist auch der Gradient des Nettodrehmoments der Kurbelwelle höher als bei der Expansion ohne Verbrennung. Der höhere Gradient beim Einsetzen der Verbrennung macht sich in einem vergrößerten Winkelruck bemerkbar. Die Lage des maximalen Winkelrucks stellt ein Maß für den Verbrennungsbeginn dar. Der Winkelruck wird in Einrichtung 21 aus dem bestimmten Verlauf der Winkelbeschleunigung 16 durch Differentiation, wiederum bevorzugt mit einem FIR-Differenzierer, berechnet. Die Bandbreite des FIR- Differenzierers ist je nach Signal-zu-Stör-Verhältnis (SNR) an die Bandbreite anzupassen, die auch bei der Berechnung der Winkelbeschleunigung in Einrichtung 15 verwendet wurde. In Einrichtung 22 wird im Verlauf des Winkelrucks der Zeitpunkt des maximalen Winkelrucks in zylinderspezifischen Kurbelwinkelfenstern gesucht. Die linksseitigen Grenzen der Suchfenster werden durch den Zünd- bzw. den Einspritzzeitpunkt dynamisch angepasst. Die Werte können aus der Motorsteuerung übernommen werden. Die Breite der Suchfenster liegt im Bereich 10° bis 40° Kurbelwinkel. Der Zeitpunkt des maximalen Winkelrucks in einem zylinderspezifischen Kurbelwinkelfenster zeigt den zylinderspezifischen Brennbeginn an. 2 shows a schematic block diagram of a device according to the invention for determining the start of combustion based on the angular pressure. The angular pressure is the second derivative of the angular velocity and thus describes the change in the angular acceleration. After either the ignition in the Otto engine or the injection in the diesel engine, the gradient of the combustion chamber pressure is higher after the onset of combustion than in the expansion without combustion. As a result, the gradient of the net torque of the crankshaft is also higher than in the expansion without combustion. The higher gradient at the onset of combustion manifests itself in increased angular pressure. The position of the maximum angular pressure represents a measure of the start of combustion. The angular pressure is in the device 21 from the determined course of the angular acceleration 16 by differentiation, again preferably with an FIR differentiator. Depending on the signal-to-noise ratio (SNR), the bandwidth of the FIR differentiator must be adapted to the bandwidth that is also used when calculating the angular acceleration in the device 15 has been used. In facility 22 In the course of the angular pressure, the time of maximum angular pressure in cylinder-specific crank angle windows is searched for. The left-hand boundaries of the search windows are dynamically adjusted by the ignition or injection timing. The values can be taken from the motor control. The width of the search window is in the range 10 ° to 40 ° crank angle. The time of the maximum angle pressure in a cylinder-specific crank angle window indicates the cylinder-specific start of combustion.

3 zeigt ein Prinzipblockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung des Brennbeginns basierend auf dem zylinderspezifischen Phasenwinkel des Nettodrehmoments. Neben einem höheren Gradienten im Momentenverlauf bewirkt die Veränderung des Brennbeginns eine Veränderung des Phasenwinkel des zylinderspezifischen Momentenanteils. Der zylinderspezifische Momentenanteil spiegelt den Expansionsvorgang des jeweiligen Zylinders wieder. Aus der bestimmten Winkelbeschleunigung 16 wird in Einrichtung 31 zunächst das Nettodrehmoment, das an der Kurbelwelle anliegt, bestimmt. Das Nettodrehmoment lässt sich wie in der Veröffentlichung „Drehmomentenbestimmung bei Verbrennungsmotoren durch Auswertung der Kurbelwellen-Winkelgeschwindigkeit" von H. Fehrenbach, W. Held und F. Zuther in Motortechnische Zeitschrift 5/1998 beschrieben auf Grundlage der Winkelgeschwindigkeit bestimmen. Die Berechnung basiert auf der folgenden Modellvorstellung der Drehmomentbilanz:

Figure 00080001

φ . : Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle
Θ : Trägheitsmoment des Motors
Θ': Ableitung des Trägheitsmomentes nach dem Kurbelwinkel M g: Gleichanteil (Mittelwert) des Gasdrehmomentes
M ∼g: Wechselanteil des Gasdrehmoments M r: Reibungsdrehmoment M l: Lastdrehmoment 3 shows a schematic block diagram of a device according to the invention for determining the start of combustion based on the cylinder-specific phase angle of the net torque. In addition to a higher gradient in the course of the moment, the change in the start of combustion causes a change in the phase angle of the cylinder-specific torque component. The cylinder-specific torque component reflects the expansion process of the respective cylinder. From the specific angular acceleration 16 will be in setup 31 first determines the net torque applied to the crankshaft. The net torque can be determined on the basis of the angular velocity as described in the publication "Torque Determination in Internal Combustion Engines by Evaluation of Crankshaft Angular Velocity" by H. Fehrenbach, W. Held and F. Zuther in Motortechnische Zeitschrift 5/1998 The calculation is based on the following Model presentation of the torque balance:
Figure 00080001

φ. : Angular velocity of the crankshaft
Θ: Moment of inertia of the motor
Θ ': Derivation of the moment of inertia after the crank angle M g : DC component (mean value) of the gas torque
M ~ g : alternating part of the gas torque M r : friction torque M l : load torque

Im stationären Fall, d.h. Last und Drehzahl sind konstant, sind das Antriebsmoment M g und die Summe aus Reibungsdrehmoment M r und Lastdrehmoment M l im Gleichgewicht, so dass sich aus GI. (2) ergibt

Figure 00090001
In steady state, ie load and speed are constant, are the drive torque M g and the sum of friction torque M r and load torque M l in balance, leaving GI. (2) results
Figure 00090001

Die linke Seite der GI. (3) wird Nettodrehmoment genannt und lässt sich wie folgt bestimmen: Θ und Θ' sind aus den Motordaten für Geometrie und Massen zu berechnen.The left side of the GI. (3) is called net torque and settles determine as follows: Θ and Θ 'are from the motor data for geometry and to calculate masses.

Die Winkelgeschwindigkeit φ . und Winkelbeschleunigung

Figure 00090002
sind, wie oben bereits beschrieben, auf Grundlage der Messungen der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle zu bestimmen. Im stationären Fall ergibt demnach die Bestimmung des Nettdrehmoments das mittelwertfreie Wechseldrehmoment. Im instationären Fall gilt die Beziehung aus GI. (3) nicht, das Nettodrehmoment enthält einen Gleichanteil, um den der Wechselanteil schwingt, d.h. das Nettodrehmoment ist nicht mehr mittelwertfrei. Der Gleichanteil kann bei Beschleunigungs- oder Bremsvorgängen auch innerhalb eines Arbeitsspiels, das von 0° bis 720° Kurbelwinkel reicht, zeitlich veränderlich sein. Näheres ist der oben genannten Veröffentlichung zu entnehmen.The angular velocity φ. and angular acceleration
Figure 00090002
are to be determined on the basis of the measurements of the angular velocity of the crankshaft, as already described above. In the stationary case, therefore, the determination of the net torque results in the mean-value-free alternating torque. In the transient case, the relationship is GI. (3) not, the net torque contains a DC component to that of the Alternating component oscillates, ie the net torque is no longer averaging. The DC component can also be variable in time during acceleration or braking processes within a working cycle that ranges from 0 ° to 720 ° crank angle. For details, see the above publication.

Von dem in der Einrichtung 31 bestimmten Nettodrehmoment wird in Einrichtung 32 der zylinderspezifische Phasenwinkel bestimmt. Der zylinderspezifische Phasenwinkel kann auf verschiedene Weisen bestimmt werden: Eine Möglichkeit besteht in der Bestimmung der Lagen der Nulldurchgänge im Verlauf des Wechseldrehmoments bei stationären Arbeitspunkten, bei denen Drehzahlen und Last konstant sind. Hierzu sollte zunächst das Wechseldrehmoment einer Tiefpassfilterung, bevorzugt mit einem FIR-Tiefpass, unterzogen werden. Um dies zu veranschaulichen, wurden Simulationen mit einem einfachen, thermodynamischen Modell durchgeführt. Das Modell geht von einer polytropen Verdichtung und Expansion aus. Dem daraus resultierenden Druckverlauf überlagert sich die Verbrennung des Kraftstoff-Luftgemischs, das mit einem einfachen Vibebrenngesetz beschrieben wird. Entsprechend den Gesetzen der Kurbelmechanik wird daraus der Verlauf des Drehmoments berechnet. Nach Eliminierung des mittleren Drehmoments ergibt sich das im Folgenden genannte Wechseldrehmoment. Die folgenden Simulationen wurden am Beispiel eines Sechszylinder-Dieselmotors durchgeführt bei einem stationären Arbeitspunkt mit einem Mitteldruck von ca. 6 bar und einer Drehzahl von 3000 Upm. Der Brennbeginn wurde zwischen 0° und 10° Kurbelwinkel variiert.From that in the institution 31 certain net torque is in facility 32 determines the cylinder-specific phase angle. The cylinder-specific phase angle can be determined in various ways: One possibility is to determine the positions of the zero crossings in the course of the alternating torque at steady-state operating points where speeds and load are constant. For this purpose, first the alternating torque of a low-pass filtering, preferably with a low-pass FIR, should be subjected. To illustrate this, simulations were performed with a simple, thermodynamic model. The model assumes polytropic compression and expansion. The resulting pressure curve is superimposed on the combustion of the fuel-air mixture, which is described with a simple Vibebrenngesetz. According to the laws of the crank mechanism, the course of the torque is calculated from this. After elimination of the mean torque results in the following change torque. The following simulations were carried out using the example of a six-cylinder diesel engine at a steady-state operating point with a mean pressure of approx. 6 bar and a speed of 3000 rpm. The start of combustion was varied between 0 ° and 10 ° crank angle.

4 zeigt Simulationsergebnisse für den Verlauf des Brennraumdrucks für die verschieden variierten Zeitpunkte des Brennbeginns. Wie erwartet verschiebt sich die durch die Verbrennung bedingte Spitze im Druckverlauf zu späteren Kurbelwinkeln hin. 4 shows simulation results for the course of the combustion chamber pressure for the differently varied times of the start of combustion. As expected, the peak caused by the combustion shifts towards later crank angles in the course of the pressure.

5 zeigt Simulationsergebnisse für den Verlauf des Wechseldrehmoments entsprechend den Druckverläufen aus 4. Die Verläufe zeigen einen Ausschnitt des Kurbelwinkelbereichs von 120° im Expansionsbereich eines Zylinders und des daran anschließenden nachfolgenden Zylinders, der sich in der Kompressionsphase befindet. Die Verschiebung der verbrennungsbedingten Druckspitze macht sich in einer Verschiebung des entsprechenden Momentenverlaufs bemerkbar. Die Lage des Nulldurchgangs im Wechseldrehmoment ist allerdings noch kein eindeutiges Merkmal für die Verschiebung des Wechseldrehmoments. Die Wechseldrehmomentenverläufe werden deswegen in einem weiteren Verarbeitungsschritt einer digitalen Tiefpassfilterung unterworfen. 5 shows simulation results for the course of the alternating torque according to the pressure curves 4 , The curves show a section of the crank angle range of 120 ° in the expansion range of a cylinder and the subsequent cylinder following it, which is in the compression phase. The shift of the combustion-related pressure peak is reflected in a shift of the corresponding torque curve. However, the position of the zero crossing in the alternating torque is not yet a clear feature for the displacement of the alternating torque. The alternating torque curves are therefore subjected to digital low-pass filtering in a further processing step.

6 zeigt ein Simulationsergebnis für den Verlauf des Wechseldrehmoments vor und nach der digitalen Tiefpassfilterung. Als Tiefpass kam dabei ein FIR-Filter zum Einsatz. Es ist vorteilhaft für die Grenzfrequenz des FIR-Filters die Zündfrequenz des Motors, im vorliegenden Fall demnach bei der 6. Ordnung, zu wählen. 6 shows a simulation result for the course of the alternating torque before and after the digital low-pass filtering. The low pass was an FIR filter. It is advantageous for the cut-off frequency of the FIR filter to select the ignition frequency of the motor, in the present case therefore in the 6th order.

7 zeigt Simulationsergebnisse für den Verlauf des Wechseldrehmoments nach der digitalen Tiefpassfilterung in einem Bereich von 30° Kurbelwinkel nach dem oberen Totpunkt (OT). Nach der FIR-Filterung kann der Nulldurchgang des Wechseldrehmoments als geeignetes Maß für die Verschiebung des Brennbeginns verwendet werden. Man erkennt, dass die Verschiebung des Brennbeginns von 0° bis 10° Kurbelwinkel eine Verschiebung des Nulldurchgangs im Wechseldrehmoment von 5° bis 12° Kurbelwinkel ergibt. 7 shows simulation results for the history of the alternating torque after the digital low-pass filtering in a range of 30 ° crank angle after top dead center (TDC). After FIR filtering, the zero crossing of the alternating torque can be used as a suitable measure of the shift of the start of combustion. It can be seen that the shift of the start of combustion from 0 ° to 10 ° crank angle results in a shift of the zero crossing in the alternating torque of 5 ° to 12 ° crank angle.

Eine weitere Möglichkeit, die zylinderspezifischen Phasenwinkel zu ermitteln, besteht darin, bei Instationärvorgängen die Lage der Schnittpunkte des Nettodrehmoments mit einem jeweiligen Ausgleichspolynom des Nettodrehmoments innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels zu bestimmen. Im instationären Fall enthält das Nettodrehmoment aus GI. (2) einen Gleichanteil, der sich über mehrere Arbeitspiele zeitlich verändern kann. Das Ausgleichspolynom des Nettodrehmoments entspricht einer Schätzung des zeitlich veränderlichen Gleichanteils des Nettodrehmoments. Bevorzugt wird statt einem Ausgleichspolynom eine Trendgerade, in der Literatur auch oft Regressionsgerade genannt, berechnet. Als Schätzung des Gleichanteils wird eine Trendgerade als ausreichend genaue Schätzung des Gleichanteils angesehen und hat den Vorteil, dass die Berechnung weniger aufwändig ist. Im Gegensatz zu dem stationären Fall geben demnach im instationären Fall nicht die Schnittpunkte der Wechseldrehmomente mit der Nulllinie, sondern die Schnittpunkte des Nettodrehmoments mit dem Ausgleichspolynom bzw. der Trendgeraden ein Maß für den Verbrennungsbeginn an. Auch hier sollte des Nettodrehmoment zunächst einer Tiefpassfilterung, bevorzugt mit einem FIR-Filter, unterzogen werden.A another possibility to determine the cylinder-specific phase angles is to during transient operations the Position of the points of intersection of the net torque with a respective one Balancing polynomial of net torque within each Determine working cycle. In the transient case contains the net torque from GI. (2) a DC share, which spreads over several work times change can. The equalization polynomial of the net torque corresponds to one estimate of the temporally variable DC component the net torque. It is preferred to use a balancing polynomial a trend line, often referred to in literature as the regression line, calculated. As an estimate of the DC component is a trend line as a sufficiently accurate estimate of the Considered equal share and has the advantage that the calculation less expensive is. Unlike the stationary one Case therefore give in the transient Case not the intersections of the alternating torques with the zero line, but the intersections of the net torque with the equalization polynomial or the trend line is a measure of the start of combustion at. Again, the net torque should firstly be low pass filtered, preferably with an FIR filter.

Ein weiterer Ansatz zur Bestimmung des zylinderspezifischen Phasenwinkels ist die Analyse des Phasenspektrums. Für die Analyse werden innerhalb des Kurbelwinkelbereichs jeweils eines Arbeitsspiels, das von 0° Kurbelwinkel bis 720° Kurbelwinkel reicht, entsprechend der Anzahl der Zylinder N Kurbelwinkelintervalle definiert. Jedes somit einem bestimmten Zylinder zugeordnete Intervall ist dabei so zu wählen, dass es den maßgeblichen Expansionsvorgang des jeweiligen Zylinders umfasst. Innerhalb jedes dieser zylinderspezifischen Intervalle wird das Phasenspektrum mittels der Fouriertransformation, des Nettodrehmomentenverlaufs bestimmt. Die Fouriertransformation wird bevorzugt mit einer Fast Fourier Transformation (FFT), die sich besonders effektiv realisieren lässt, durchgeführt. Aus den als dominant festzulegenden Ordnungen im Phasenspektrum wird für jedes Phasenspektrum ein resultierender Phasenwert ermittelt, der als ein Maß für den Brennbeginn verwendet wird. Der Zusammenhang zwischen Phasenwert und Brennbeginn muss hier in der Form eines Kennfelds eingelernt werden, in welchem die Abhängigkeit des Phasenwerts vom Brennbeginn sowie von Drehzahl und Last niedergelegt ist, d.h. für verschiedene stationäre Arbeitspunkte werden die Punkte im Kennfeld bestimmt. Ein Lastwert kann entweder direkt aus der Motorsteuerung oder mittelbar aus dem zu bestimmenden Zusammenhang zwischen Nettodrehmoment und Lastdrehmoment erhalten werden. Für letzteres Verfahren zur Bestimmung des Lastwerts wird auf die bereits erwähnte Veröffentlichung „Drehmomentenbestimmung bei Verbrennungsmotoren durch Auswertung der Kurbelwellen-Winkelgeschwindigkeit" von H. Fehrenbach, W. Held und F. Zuther in Motortechnische Zeitschrift 5/1998 verwiesen. Hier wurde nachgewiesen, dass auf dem Rollenprüfstand bei stationären Bedingungen zwischen dem Effektivwert des Nettodrehmoments und dem näherungsweise konstanten Lastdrehmoment Ml ein eindeutiger Zusammenhang besteht. Mit Hilfe eines entsprechenden Kennfelds, in dem den gemessenen Werten der Drehzahl und des effektiven Nettodrehmoments Werte für das Lastdrehmoment zugeordnet werden, kann für jedes Arbeitsspiel im laufenden Betrieb das momentane Lastdrehmoment abgelesen werden.Another approach for determining the cylinder-specific phase angle is the analysis of the phase spectrum. For the analysis, within the crank angle range of a respective working cycle, which ranges from 0 ° crank angle to 720 ° crank angle, corresponding to the number of cylinders N crank angle intervals defined. Each interval thus assigned to a specific cylinder is to be chosen such that it includes the relevant expansion process of the respective cylinder. Within each of these cylinder-specific intervals, the phase spectrum is determined by means of the Fourier transformation, the net torque curve. The Fourier transformation is preferably carried out with a Fast Fourier Transformation (FFT), which can be implemented particularly effectively. From the orders to be determined as dominant in the phase spectrum, a resulting phase value is determined for each phase spectrum, which is used as a measure of the start of combustion. The relationship between the phase value and the start of combustion must be taught here in the form of a characteristic map in which the dependency of the phase value from the start of combustion as well as the speed and load is defined, ie for various stationary operating points, the points in the map are determined. A load value can be obtained either directly from the motor control or indirectly from the relationship between net torque and load torque to be determined. For the latter method for determining the load value, reference is made to the already mentioned publication "Torque determination in internal combustion engines by evaluation of the crankshaft angular velocity" by H. Fehrenbach, W. Held and F. Zuther in Motortechnische Zeitschrift 5/1998 the chassis dynamometer is uniquely related to steady-state conditions between the net rms value of the net torque and the approximately constant load torque M l, and a load-torque value can be assigned to each working cycle by means of a corresponding map in which the measured values of speed and net effective torque are assigned during operation, the instantaneous load torque can be read off.

8 zeigt ein Prinzipblockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung des Brennbeginns basierend auf dem rein verbrennungsbedingten Drehmomentenanteil. Zunächst wird in Einrichtung 31 das Nettodrehmoment aus GI. (2) wie oben beschrieben bestimmt, dies kann bei stationären Arbeitspunkten als auch bei Instationärvorgängen durchgeführt werden. In Einrichtung 81 wird dann unter der Modellannahme einer polytropen Kompression der Drehmomentenanteil resultierend aus Kompression und Expansion rechnerisch ermittelt. Nach dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik ist das Modell für den Druckverlauf bei polytroper Zustandsänderung

Figure 00120001
mit dem Anfangsdruck p1, dem Druck des Endzustands p2, dem Anfangsvolumen V1, dem Volumen des Endzustands V2 und dem Polytropenexponenten n, der allein von den technischen Bedingungen der Zustandsänderung abhängt. Als Anfangsdruck der Verdichtung wird der gemessene Ladedruck verwendet. Der entsprechende Sensor zur Messung des Ladedrucks ist in der Regel ein Standardsensor, der hinter dem Lader angebracht ist. Aus dem berechneten Druckverlauf basierend auf Kompression und Expansion wird entsprechend den Gesetzen der Kurbelmechanik der Verlauf des Drehmomentenanteils berechnet. Der rein verbrennungsbedingte Drehmomentenanteil wird durch Subtraktion 82 des Drehmomentenanteils resultierend aus Kompression und Expansion von dem in Einrichtung 31 bestimmten Nettodrehmomentenanteil berechnet. In Einrichtung 83 wird aus dem Verlauf des verbrennungsbedingten Drehmomentenanteils ein Maß für den Brennbeginn abgeleitet. Dies kann beispielsweise die Lage einer Schwellwertüberschreitung oder die Lage des größten Gradienten sein. 8th shows a schematic block diagram of a device according to the invention for determining the start of combustion based on the pure combustion-related torque component. First, in facility 31 the net torque from GI. (2) determined as described above, this can be done at steady state operating points as well as during transient operations. In facility 81 Then, under the model assumption of a polytropic compression, the torque component as a result of compression and expansion is calculated. According to the first law of thermodynamics, the model for the pressure curve is polytrope change of state
Figure 00120001
with the initial pressure p 1 , the pressure of the final state p 2 , the initial volume V 1 , the volume of the final state V 2 and the polytropic exponent n, which depends solely on the technical conditions of the state change. As the initial pressure of the compression, the measured boost pressure is used. The corresponding sensor for measuring the boost pressure is usually a standard sensor, which is mounted behind the loader. From the calculated pressure curve based on compression and expansion, the curve of the torque component is calculated in accordance with the laws of the crank mechanism. The pure combustion-related torque component is subtracted 82 the torque component resulting from compression and expansion of the device 31 calculated net torque proportion. In facility 83 is derived from the course of the combustion-related torque component, a measure of the start of combustion. This can be, for example, the location of a threshold value violation or the position of the largest gradient.

9 zeigt ein Prinzipblockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung des Brennbeginns basierend auf einer Druckverlaufsanalyse des zylinderspezifischen Druckverlaufs. Zunächst wird in Einrichtung 31 das Nettodrehmoment aus GI. (2) wie oben beschrieben bestimmt, dies kann bei stationären Arbeitspunkten als auch bei Instationärvorgängen durchgeführt werden. In Einrichtung 91 wird der zylinderspezifische Druckverlauf anhand von modellbasierten Gleichungen berechnet. Über die rechnerische Superposition der aus den Brennraumdrücken der einzelnen Zylinder unter Gewichtung mit dem jeweiligen Hebelarm des Schubkurbelgetriebes sowie der Kolbenfläche erhaltenen Momente und Gleichsetzung des Superpositionsergebnisses mit dem Nettodrehmoment ergibt sich für jeden betrachteten Kurbelwinkel eine Gleichung für die Brennraumdrücke. Zur Gewinnung des Brennraumdruckverlaufs des fraglichen Zylinders im Bereich des Kurbelwinkelbereichs, in dem in ihm die Verbrennung erfolgt, werden bezüglich der Drücke in den übrigen, innerhalb des betrachteten Kurbelwinkelbereichs nicht verbrennenden Zylindern folgende Annahmen getroffen:

  • – Ist innerhalb des Kurbelwinkelbereichs nur das Einlassventil im jeweiligen Zylinder geöffnet, so wird für den Zylinderdruck der gemessene Ladedruck angenommen.
  • – Ist innerhalb des Kurbelwinkelbereichs nur das Auslassventil im jeweiligen Zylinder geöffnet, so wird für den Zylinderdruck der gemessene Abgasgegendruck angenommen.
  • – Sind innerhalb des Kurbelwinkelbereichs sowohl das Einlass- als auch das Auslassventil im jeweiligen Zylinder geöffnet, so wird für den Zylinderdruck der Mittelwert aus gemessenem Ladedruck und gemessenem Abgasgegendruck angenommen.
  • – Befindet sich der Zylinder innerhalb des Kurbelwinkelbereichs bei geschlossenem Einlass- und Auslassventil in der Kompressionsphase, so wird der Zylinderdruck gemäß einer polytropen Verdichtung mit dem vor der Kompression vorgelegenem Ladedruck als Anfangsdruck ermittelt.
  • – Befindet sich der Zylinder innerhalb des Kurbelwinkelbereichs bei geschlossenem Einlass- und Auslassventil in der Expansionsphase ohne Verbrennung, so wird der Zylinderdruck gemäß einer polytropen Expansion ermittelt, die als spiegelbildlich zur vorher erfolgten polytropen Kompression mit gemessenem Ladedruck als Anfangsdruck angenommen wird.
9 shows a schematic block diagram of a device according to the invention for determining the start of combustion based on a pressure curve analysis of the cylinder-specific pressure curve. First, in facility 31 the net torque from GI. (2) determined as described above, this can be done at steady state operating points as well as during transient operations. In facility 91 The cylinder-specific pressure curve is calculated on the basis of model-based equations. The mathematical superposition of the moments obtained from the combustion chamber pressures of the individual cylinders and weighting with the respective lever arm of the sliding crank mechanism and the piston surface and equating the superposition result with the net torque results in an equation for the combustion chamber pressures for each considered crank angle. In order to obtain the combustion chamber pressure profile of the cylinder in question in the region of the crank angle range in which the combustion takes place, the following assumptions are made with regard to the pressures in the other cylinders which do not burn within the considered crank angle range:
  • - If only the inlet valve in the respective cylinder is opened within the crank angle range, then the measured boost pressure is assumed for the cylinder pressure.
  • - If only the exhaust valve in the respective cylinder is opened within the crank angle range, then the measured exhaust back pressure is assumed for the cylinder pressure.
  • - If within the crank angle range both the inlet and the exhaust valve in the respective cylinder are open, the cylinder pressure is the mean value of the measured boost pressure and measured assumed exhaust gas back pressure.
  • - Is the cylinder within the crank angle range with the intake and exhaust valves closed in the compression phase, the cylinder pressure is determined according to a polytropic compression with the pre-compression pressure before the compression as the initial pressure.
  • If the cylinder is within the crank angle range with the intake and exhaust valves closed in the expansion phase without combustion, the cylinder pressure is determined according to a polytropic expansion, which is assumed to be a mirror image of the previous polytropic compression with measured charge pressure as initial pressure.

Als Lösung der somit für jede einzelne Winkelstellung innerhalb des zylinderspezifischen Kurbelwinkelbereichs erhaltenen Gleichungen wird der Druckverlauf im verbrennenden Zylinder erhalten. Da aufgrund des verschwindenden Hebelarms im Bereich des hier fraglichen oberen Totpunkts keine Druckwerte ermittelt werden können, muss der Druckverlauf an diesen Stellen interpoliert werden. In Einrichtung 92 wird der berechnete zylinderspezifische Druckverlauf einer klassischen, auf der Auswertung des Heizgesetzes basierenden Druckanalyse unterzogen und es werden hieraus Schätzwerte für den Brennbeginn ermittelt.As a solution of the equations thus obtained for each individual angular position within the cylinder-specific crank angle range, the pressure profile in the combustion cylinder is obtained. Since no pressure values can be determined due to the vanishing lever arm in the region of the top dead center in question here, the pressure profile at these points must be interpolated. In facility 92 the calculated cylinder-specific pressure curve is subjected to a classical pressure analysis based on the evaluation of the heating law and from this, estimated values for the start of combustion are determined.

Die beschriebenen Verfahren zur Bestimmung des Brennbeginns können auch vorteilhaft miteinander kombiniert werden. Es ist zum Beispiel möglich, zwei oder mehrere Verfahren parallel durchzuführen. Aufgrund der verschiedenen Berechnungen ergeben sich in der Regel leicht abweichende Ergebnisse für den Zeitpunkt des Brennbeginns. Ein besonders exakte Bestimmung des Brennbeginns ergibt sich durch die Mittelung der verschiedenen Berechnungsergebnisse aus den unterschiedlichen beschriebenen Verfahren. Eine andere Möglichkeit der vorteilhaften Kombination der Verfahren besteht in der Verwendung der unterschiedlichen Verfahren in Abhängigkeit von dem Arbeitspunkt, d.h. abhängig von der momentanen Last und Drehzahl. Es wird dabei davon ausgegangen, dass die verschiedenen Verfahren für verschiedene Arbeitspunkte besonders geeignet sind und besonders exakte Ergebnisse liefern. Dementsprechend sollte das Verfahren dann abhängig von dem Arbeitspunkt gewählt werden.The also described methods for determining the start of firing be advantageously combined with each other. It is possible, for example, two or perform several procedures in parallel. Due to the different Calculations usually give slightly different results for the Time of burning. A particularly exact determination of the Burning starts by averaging the different calculation results from the different methods described. Another possibility the advantageous combination of the methods is the use the different procedures depending on the operating point, i.e. dependent from the momentary load and speed. It is assumed that the different procedures for different working points are particularly suitable and provide particularly accurate results. Accordingly, the method should then be chosen depending on the operating point.

Claims (19)

Verfahren zur Ermittlung des Zeitpunktes des Beginns des Verbrennungsvorgangs in Verbrennungskraftmaschinen (Brennbeginn), insbesondere von Dieselmotoren, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung des Brennbeginns auf der Messung (11) der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle beruht.Method for determining the time of commencement of the combustion process in internal combustion engines (start of combustion), in particular of diesel engines, characterized in that the determination of the start of combustion on the measurement ( 11 ) the angular velocity of the crankshaft is based. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung des Brennbeginns folgende Schritte umfasst: – Bestimmung der Winkelbeschleunigung (16) auf der Basis von Messungen (11) der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle; und – Bestimmung des Brennbeginns auf der Basis der ermittelten Winkelbeschleunigung (16).A method according to claim 1, characterized in that the determination of the start of combustion comprises the following steps: - Determination of the angular acceleration ( 16 ) on the basis of measurements ( 11 ) the angular velocity of the crankshaft; and determination of the start of combustion on the basis of the determined angular acceleration ( 16 ). Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Winkelbeschleunigung folgende Schritte umfasst: – Messung (11) der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle mittels eines Geberrades; und – Korrektur (12) des geberradspezifischen Geberradfehlers; und – Interpolation (13) des Winkelgeschwindigkeitssignals; und – Filterung (14) des interpolierten Winkelgeschwindigkeitssignals mit einem Tiefpass; und – Differentiation (15) des tiefpassgefilterten Winkelgeschwindigkeitssignals.A method according to claim 2, characterized in that the determination of the angular acceleration comprises the following steps: - Measurement ( 11 ) the angular velocity of the crankshaft by means of a sender wheel; and - correction ( 12 ) of the encoder wheel specific encoder wheel error; and - interpolation ( 13 ) of the angular velocity signal; and filtering ( 14 ) of the interpolated angular velocity signal with a low pass; and - differentiation ( 15 ) of the lowpass filtered angular velocity signal. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Interpolation (13) des Winkelgeschwindigkeitssignals auf eine Auflösung von 1° bis 2° Kurbelwinkel durchgeführt wird.Method according to Claim 3, characterized in that the interpolation ( 13 ) of the angular velocity signal to a resolution of 1 ° to 2 ° crank angle. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Tiefpass (14) ein FIR-Filter, insbesondere ein steilflankiges FIR-Filter verwendet wird.Method according to one of claims 3 or 4, characterized in that as low pass ( 14 ) a FIR filter, in particular a steep edge FIR filter is used. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Differentation (15) des Winkelgeschwindigkeitssignals ein FIR-Differenzierfilter verwendet wird.Method according to one of claims 3 to 5, characterized in that for differentiation ( 15 ) of the angular velocity signal, an FIR differentiation filter is used. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des Brennbeginns anhand der Winkelbeschleunigung (16) folgende Schritte umfasst: – Differentiation (21) der Winkelbeschleunigung zur Berechnung des Winkelrucks; und – Ermittlung (22) der Lage der Maxima des Winkelrucks in Kurbelwinkelfenstern als Maß für den Brennbeginn.Method according to one of claims 2 to 6, characterized in that the determination of the start of combustion based on the angular acceleration ( 16 ) comprises the following steps: - differentiation ( 21 ) the angular acceleration for calculating the angular pressure; and - determination ( 22 ) the position of the maxima of the angular pressure in crank angle windows as a measure of the start of combustion. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Differentation (21) des Winkellbeschleunigungssignals ein FIR-Differenzierfilter verwendet wird.Method according to claim 7, characterized in that for differentiation ( 21 ) of the angular acceleration signal, an FIR differentiation filter is used. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des Brennbeginn anhand der Winkelbeschleunigung (16) folgende Schritte umfasst: – Bestimmung (31) eines Nettodrehmoments; und – Bestimmung (32) des zylinderspezifischen Phasenwinkels des Nettodrehmoments als Maß für den Brennbeginn.Method according to one of claims 2 to 6, characterized in that the determination of the start of combustion based on the angular acceleration ( 16 ) comprises the following steps: - determination ( 31 ) a net torque; and - determination ( 32 ) of the cylinder-specific phase angle of the net torque as a measure of the start of combustion. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung (32) des zylinderspezifischen Phasenwinkels die Lage des Nulldurchgangs im Verlauf des Nettodrehmomentes bei stationären Arbeitspunkten ermittelt wird.Method according to claim 9, characterized in that for the determination ( 32 ) of the cylinder-specific phase angle, the position of the zero crossing in the course of the net torque at stationary operating points is determined. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung (32) des zylinderspezifischen Phasenwinkels die Lage des Schnittpunkts des Nettodrehmoments mit einem jeweiligen Ausgleichspolynom, insbesondere einer Trendgeraden, des Nettodrehmoments innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels bei Instationärvorgängen ermittelt wird.Method according to claim 9, characterized in that for the determination ( 32 ) of the cylinder-specific phase angle, the position of the point of intersection of the net torque with a respective compensation polynomial, in particular a trend line, of the net torque within the respective working cycle is determined during transient operations. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zylinderspezifische Phasenwinkel aus dem zylinderspezifischen Phasenspektrum bestimmt wird.Method according to claim 9, characterized in that that the cylinder-specific phase angle from the cylinder-specific Phase spectrum is determined. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des Brennbeginns anhand der Winkelbeschleunigung (16) folgende Schritte umfasst: – Bestimmung (31) eines Nettodrehmoments; und – Ermittlung (81) des Drehmomentenanteils resultierend aus Kompression und Expansion, wobei als Anfangsdruck der Verdichtung ein bekannter Ladedruck verwendet wird; und – Bestimmung des verbrennungsbedingten Drehmomentenanteils durch Subtraktion (82) des Drehmomentenanteils resultierend aus Kompression und Expansion von dem Nettodrehmoment; und – Analyse (83) des Verlaufs des verbrennungsbedingten Drehmomentenanteils zur Bestimmung des Brennbeginns, insbesondere durch Ermittlung der Lage einer Schwellwertüberschreitung oder des größten Gradienten.Method according to one of claims 2 to 6, characterized in that the determination of the start of combustion based on the angular acceleration ( 16 ) comprises the following steps: - determination ( 31 ) a net torque; and - determination ( 81 ) the torque component resulting from compression and expansion, using a known boost pressure as initial compression pressure; and determination of the combustion-related component of torque by subtraction ( 82 ) the torque component resulting from compression and expansion from the net torque; and - analysis ( 83 ) of the course of the combustion-related torque component for determining the start of combustion, in particular by determining the position of a threshold value exceeding or the largest gradient. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des Brennbeginns anhand der Winkelbeschleunigung (16) folgende Schritte umfasst: – Bestimmung (31) eines Nettodrehmoments; und – Bestimmung (91) des zylinderspezifischen Druckverlaufs auf Basis des Nettodrehmoments anhand von modellbasierten Gleichungen; und – Druckverlaufanalyse (92) des zylinderspezifischen Druckverlaufs zur Ermittlung eines zylinderspezifischen Werts für den Brennbeginn.Method according to one of claims 2 to 6, characterized in that the determination of the start of combustion based on the angular acceleration ( 16 ) comprises the following steps: - determination ( 31 ) a net torque; and - determination ( 91 ) of the cylinder-specific pressure curve based on the net torque based on model-based equations; and - pressure history analysis ( 92 ) of the cylinder-specific pressure curve for determining a cylinder-specific value for the start of combustion. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahren zur Bestimmung des Brennbeginns miteinander kombiniert werden.Method according to at least one of claims 7 to 14, characterized in that the methods for determining the Combustion can be combined. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kombination der Verfahren zur Bestimmung des Brennbeginns zwei oder mehr Verfahren parallel durchgeführt werden und die jeweiligen Werte für den Zeitpunkt des Brennbeginns gemittelt werden.Method according to claim 15, characterized in that that for the combination of the methods for determining the start of firing two or more procedures are performed in parallel and the respective ones Values for the time of the start of burning are averaged. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kombination der Verfahren zur Bestimmung des Brennbeginns die Verfahren in Abhängigkeit des jeweiligen Arbeitspunkts verwendet werden.Method according to claim 15, characterized in that that for the combination of the methods for determining the start of firing the procedures in dependence of the respective operating point. Vorrichtung zur Ermittlung des Zeitpunktes des Beginns des Verbrennungsvorgangs in Verbrennungskraftmaschinen (Brennbeginn), insbesondere von Dieselmotoren, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung des Brennbeginns auf der Messung (11) der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle beruht.Device for determining the point in time of the beginning of the combustion process in internal combustion engines (start of combustion), in particular of diesel engines, characterized in that the determination of the start of combustion on the measurement ( 11 ) the angular velocity of the crankshaft is based. Vorrichtung nach Anspruch 18 zur Ermittlung des Brennbeginns mit – einer Einrichtung zur Bestimmung der Winkelbeschleunigung (16) auf der Basis von Messungen (11) der ermittelten Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle; und – einer Einrichtung zur Bestimmung des Brennbeginns auf der Basis der Winkelbeschleunigung (16).Apparatus according to claim 18 for determining the start of combustion with - a device for determining the angular acceleration ( 16 ) on the basis of measurements ( 11 ) the determined angular velocity of the crankshaft; and - means for determining the start of burning on the basis of the angular acceleration ( 16 ).
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