DE10008552A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Auswertung eines Signals eines Ionenstrom-Sensor einer Brennkraftmaschine - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Auswertung eines Signals eines Ionenstrom-Sensor einer BrennkraftmaschineInfo
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Abstract
Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Auswertung eines Signals eines Ionenstrom-Sensors einer Brennkraftmaschine beschrieben. Ausgehend von einem Signal des Ionenstrom-Sensors ist wenigstens eine Momentengröße, die das von der Brennkraftmaschine bereitgestellte Moment charakterisiert, bestimmbar.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Auswertung eines Signals eines Ionenstrom-Sensor einer
Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Bekannt ist es, daß zur Erfassung des Drehmoments einer
Brennkraftmaschine die Torsion einer Antriebswelle gemessen
wird. Dabei wird ein resultierendes Drehmoment ermittelt,
bei dem das vom Motor abgegebene Drehmoment um die Beiträge,
die z. B. für Nebenaggregate verbraucht werden, vermindert
ist.
Aus der EP 0190206 ist eine Einrichtung zur Messung und
Regelung von Betriebsdaten von Verbrennungsmotoren bekannt.
Dabei wird unter Ausnutzung der Ionisierung der
Verbrennungsgase bei hohen Temperaturen über eine Messung
der elektrischen Leitfähigkeit der teilweise ionisierten
Verbrennungsgase mittels einer Spannung ein Meßsignal
erzeugt, das z. B. zur Regelung der Abgasrückführung verwandt
werden kann.
Der Nachteil des Stands der Technik besteht bei der Messung
der Torsion der Antriebswelle darin, daß Schwingungen
auftreten, die bei der Auswertung zu Ungenauigkeiten führen.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Bestimmungen des vom Motor
abgegebenen mittleren Drehmoment (Gasmoment) besser und
genauer zu erfassen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den kennzeichnenden
Teil des Anspruchs 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Vorgehensweise hat den Vorteil, daß das
bei der Verbrennung erzeugte Drehmoment (Gasmoment) direkt
aus dem Signal des Ionenstrom-Sensors und damit einer
innermotorischen Größe bestimmt wird.
Unter dem Begriff Gasmoment ist das gesamte Drehmoment zu
verstehen, das durch die Verbrennung im Zylinder erzeugt
wird. Dieses teilt sich auf in das Radmoment, das letztlich
für den Antrieb zur Verfügung steht und Momente, die
aufgrund von Reibungsverlusten und für die Nebenaggregate
aufzubringen sind.
Während das Radmoment für das Fahrverhalten maßgeblich ist,
ist die Kenntnis des Gasmomentes für den Motorschutz von
Bedeutung, um eine thermische Überlastung durch zu große
Leistungsabgabe zu verhindern.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß der
Drehmomentbeitrag, der für die Nebenaggregate aufgebracht
werden muß, ebenfalls berücksichtigt wird und damit die
tatsächliche vom Motor erbrachte Nennleistung bestimmt
werden kann. Bei einer Bestückung sämtlicher Zylinder mit
eines Ionenstrom-Sensors können sowohl das mittlere
Gasmoment als auch die zylinderbezogenen Einzelmomente
bestimmt werden. Diese können als Eingangsgrößen eines
Verfahrens zur Zylindergleichstellung verwendet werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sei nachfolgend
beschrieben.
Es zeigen:
Die Fig. 1 ein Blockdiagramm wesentlicher Elemente, Fig. 2
das Signal des Ionenstrom-Sensors als Funktion des
Spritzbeginns und Fig. 3 das Signal des Ionenstrom-Sensors
bei einem definierten Spritzbeginn als Funktion der
eingespritzten Kraftstoffmenge.
Die Fig. 1 zeigt mit dem Bezugszeichen 20 eine
mehrzylindrige Brennkraftmaschine. Die Zylinder sind
symbolisch dargestellt und mit dem Bezugszeichen 21
gekennzeichnet. Die Drehzahl der Brennkraftmaschine 20 wird
über den Drehzahlsensor N vorzugsweise mittels eines
induktiven Aufnehmer oder über ein Hall-Element oder über
einen Magnetoresistiven Aufnehmer oder dergleichen erfasst.
Das Signal des Drehzahlsensors N wird einem elektronischen
Steuergerät 23 zur Steuerung von wenigstens der Einspritzung
von Kraftstoff zugeführt. Vorzugsweise ist jedem Zylinder 21
ein Mengenstellglied 22 zugeordnet, mit dem die von dem
Steuergerät 23 vorgegebene Kraftstoffmenge zugemessen wird.
Als Mengenstellglieder 22 können Injektoren eines Common-
Rail-Systems, Pumpe-Düse-Einheiten, Verteilerpumpen oder
andere Mengenstellglieder verwendet werden. Vorzugsweise
werden Mengenstellglieder verwendet, bei denen die
Mengenzumessung über die Betätigungszeit von Magnetventilen
oder Piezostellern erfolgt.
Vorzugsweise ist wenigstens ein Zylinder mit einem
Ionenstrom-Sensor 24 versehen, dessen Signal in einer
Auswerteeinrichtung 25 des elektronischen Steuergeräts 23
ausgewertet wird. Zum elektronischen Steuergerät 23 gehört
eine Einrichtung zur Mengensteuerung 26 des Kraftstoffs. Die
Mengensteuerung 26 gibt verschiedene Signale, wie
beispielsweise verschiedene Meßgrößen, wie beispielsweise
die Drehzahl N, interne Größen, wie beispielsweise die
einzuspritzende Kraftstoffmenge QK, und den Spritzbeginn SB,
an die Auswerteeinrichtung 25 weiter, wo diese Größen
zusammen mit dem/den Ionenstromsensorsignale/n verarbeitet
werden. Das Ergebnis dieser Verarbeitung wird der
Mengensteuerung 26 zugeführt. Die Mengensteuerung 26 gibt
ausgehend von diesen Signalen die Ansteuersignale für das
Mengenstellglied 22 der einzelnen Zylinder 21 vor.
Das Signal I des Ionenstrom-Sensors, das bei der Verbrennung
gemessen wird, hängt maßgeblich von zwei Größen ab. Dies
sind die Einspritzmenge ME und der Spritzbeginn SB. Dabei
gilt der folgende funktionale Zusammenhang:
I = f1(ME, SB)
Die Bestimmung des Gasmomentes aus dem Signal des
Ionenstrom-Sensors erfolgt unter Zuhilfenahme der in Fig. 2
und Fig. 3 gezeigten funktionalen Zusammenhänge mit dem
Spritzbeginn und der Einspritzmenge. Hier für ist ein
zumindest zweidimensionales Kennfeld erforderlich, das vorab
experimentell ermittelt wird. Als Signal kann entweder der
maximal während jedes Verbrennungszyklus fließende
Ionenstrom oder das zeitliche Integral über das Stromsignal,
d. h. die während jedes Verbrennungszyklus geflossene
Ladungsmenge herangezogen werden.
Durch Invertieren der o. g. Beziehung kann die Einspritzmenge
aus dem Signal des Ionenstrom-Sensors und dem Spritzbeginn
SB rekonstruiert werden:
ME = g1(I, SB)
Da auch das vom Motor abgegebene Drehmoment MD von der
Einspritzmenge ME und dem Spritzbeginn SB abhängt, läßt sich
aus dem Signal des Ionenstrom-Sensors und dem Spritzbeginn
SB das vom Motor erzeugte Drehmoment MD bestimmen:
MD = f2(ME, SB) = f2(g1(I, SB), SB) = f3(I, SB)
Das vom Ionenstrom-Sensor gemessene Signal wird dazu
hinsichtlich der Signalgröße I ausgewertet. Um Schwankungen
des Signals zu kompensieren erfolgt eine Mittelwertbildung
über mehrere Arbeitsspiele. Ein Arbeitsspiel umfaßt zwei
komplette Kurbelwellenumdrehungen (720°KW). Während der
einen Umdrehung findet die Verbrennung, während der zweiten
der Ladungswechsel statt.
Anschließend wird mittels eines Kennfeldes aus den
Eingangsgrößen Signal des Ionenstrom-Sensors und dem
Spritzbeginn SB das Drehmoment bestimmt. Der Spritzbeginn
ist in dem Steuergerät 23 als Sollwert für eine
Spritzbeginnregelung verfügbar.
MD = f4(I, SB)
Eine größere Genauigkeit kann erzielt werden, wenn anstatt
des Sollwerts der entsprechende Istwert verwendet werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn hierzu ein mit dem
Ionenstrom-Sensor gemessene tatsächliche Verbrennungsbeginn
VB zugrunde gelegt wird. Zwischen dem Spritzbeginn SB und
dem Verbrennungsbeginn VB besteht ein enger Zusammenhang.
Das Kennfeld ist entsprechend anzupassen.
MD = f5(I, VB)
Aufgrund der für die Auswertung des Signals des Ionenstrom-
Sensors erforderlichen Mittelwertbildung, handelt es sich
bei dem hier bestimmten Drehmomentsignal um ein mittleres
Moment.
Das Signal weist stochastische Streuungen in der Signalhöhe
und im Signalverlauf auf, die für die weitere Verarbeitung
geglättet werden müssen. Dies kann durch eine
Tiefpaßfilterung z. B. in Form einer gleitenden
Mittelwertbildung oder ein anderes Verfahren erfolgen.
Die Fig. 2 zeigt beispielhaft den funktionalen Zusammenhang
zwischen Spritzbeginn (SB), der auf der x-Achse aufgetragen
ist, und dem Signal des Ionenstrom-Sensors, der auf der y-
Achse aufgetragen ist. Variiert wird der Spritzbeginn SB
zwischen 4°KW vor dem oberen Totpunkt und 4°KW nach dem
oberen Totpunkt.
Die Fig. 3 zeigt beispielhaft den funktionalen Zusammenhang
zwischen der eingespritzten Kraftstoffmenge/Hub und dem
Signal des Ionenstrom-Sensors. Dabei variiert die
Einspritzmenge zwischen 6 und 18 mg Kraftstoff pro Hub.
Entsprechend dem Koordinatenmaßstab auf der y-Achse sind
die zugehörigen Ionenstromwerte zu entnehmen.
Erfindungsgemäß wird ausgehend von dem Signal des
Ionenstrom-Sensor wenigstens eine Momentengröße, die das von
der Brennkraftmaschine bereitgestellte Moment
charakterisiert, bestimmt. Insbesondere wird das Gasmoment
bestimmt. Dabei lassen sich weitere Momentengrößen ausgehend
von diesem Gasmoment berechnen.
Erfindungsgemäß werden bei der Bestimmung des Moments
zusätzlich zu dem Signal des Ionenstrom-Sensors eine Größe,
die den Beginn der Kraftstoffeinspritzung oder den
Verbrennungsbeginn charakterisiert verwendet. Hierzu kann
der Sollwert und/oder der Istwert einer Spritzbeginnregelung
herangezogen werden. Vorteilhaft hierbei ist, daß zur
Erfassung dieser Größen keine weiteren Sensoren benötigt
werden. Anstelle des Spritzbeginns können auch andere
Größen, die in engem Zusammenhang mit dem Spritzbeginn
stehen, verwendet werden. Dies sind insbesondere der
Förderbeginn oder Ansteuersignale entsprechender Steller.
Besonders vorteilhaft ist die Verwendung des
Verbrennungsbeginna, da dieser ebenfalls ausgehend von dem
Signal des Ionenstrom-Sensors ermittelbar ist.
Um die Genauigkeit des Signals zu erhöhen, ist es
vorteilhaft, eine Filterung, insbesondere eine
Mittelwertbildung durchzuführen. Dabei kann das Signal des
Ionenstrom-Sensors und/oder die Momentengröße gefiltert
werden.
Claims (5)
1. Verfahren zur Auswertung eines Signals eines Ionenstrom-
Sensor einer Brennkraftmaschine, wobei ausgehend von
einem Signal des Ionenstrom-Sensors wenigstens eine
Momentengröße, die das von der Brennkraftmaschine
bereitgestellte Moment charakterisiert, bestimmbar ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
zusätzlich zu dem Signal des Ionenstrom-Sensors eine
Größe, die den Beginn der Kraftstoffeinspritzung oder den
Verbrennungsbeginn charakterisiert, zur Bestimmung der
Momentengröße verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das Signal und/oder die Momentengröße gefiltert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
das Signal und/oder die Momentengröße über mehrere
Einspritzungen gemittelt wird.
5. Vorrichtung zur Auswertung eines Signals eines
Ionenstrom-Sensor einer Brennkraftmaschine, mit Mitteln,
die ausgehend von einem Signal des Ionenstrom-Sensors
wenigstens eine Momentengröße, die das von der
Brennkraftmaschine bereitgestellte Moment
charakterisiert, bestimmen.
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