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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Auswertung
eines Ionenstrom-Sensor-Signals einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff
der selbständigen
Ansprüche
1 und 9.
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Nach
dem Stand der Technik lassen sich eine Vielzahl motorischer Kenngrößen und
Zustände wie
zum Beispiel Verbrennungserkennung, Brennbeginn, Verbrennungsschwerpunkt
und Verbrennungsqualität
anhand des Brennraumdruckes bestimmen. Dabei wird der Brennraumdruck
mit Hilfe eines speziellen und geeignet montierten Drucksensors
aufgenommen.
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Diese
Methode erfordert pro Zylinder eine zusätzliche Bohrung im Zylinderkopf
sowie einen serientauglichen Druckaufnehmer.
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Ein
Ionenstrom-Rußsensor
oder Ionenstrom-Sensor, der für
das erfindungsgemäße Verfahren
verwendet wird, ist beim Dieselmotor ebenfalls Stand der Technik.
Dabei ist eine Integration des Ionenstromsensors sowohl in der Glühstiftkerze
als auch in der Einspritzdüse
möglich.
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Aus
der
EP 0190206 B1 ist
eine Einrichtung zur Messung und Regelung von Betriebsdaten von Verbrennungsmotoren
bekannt, mit einem Ionenstrom-Sensor zur spezifischen Erfassung
von Schadstoffkomponenten wie Ruß eines Verbrennungsmotors.
Zusätzlich
werden weitere, für
die Regelung des Verbrennungsmotors erforderliche Größen mit
diesem Ionenstrom-Sensor ermittelt.
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Die
DE 199 16 205 C1 zeigt
ein Verfahren zur Auswertung eines Ionenstroms einer Brennkraftmaschine,
bei der zur Bestimmung von Verbrennungsgrößen die Lage eines lokalen
Maximums des Ionenstromssignalverlaufs herangezogen wird. Das lokale
Maximum wird dadurch ermittelt, dass der Mittelwert der Winkellagen,
bei denen der Ionenstrom eine definierbare relative Schwelle, beispielsweise 50%
vom Spitzenwert, über-
oder unterschreitet, gebildet wird. Die ermittelte Winkellage stellt
einen Schätzwert
für das
Lambdasignal dar.
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Die
DE 43 24 312 A1 beschreibt
ein Verfahren zum Erfassen eines Magermischgrenzwertes für eine Brennkraftmaschine.
Der Magermischgrenzwert wird aus den Kennwerten des Ionenstroms
in einem der Zylinder der Maschine unmittelbar nach der Zündung ermittelt.
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Die
DE 197 55 255 A1 beschreibt
ein Verfahren zur Erkennung von klopfenden Verbrennungen aus einem
Ionenstromsignal bei Brennkraftmaschinen. Hierzu wird das Ionenstromsignal über ein
Zeitfenster erfasst, bandpassgefiltert und das bandpassgefilterte
Signal zu einem aktuellen Integralwert integriert. Der aktuelle
Integralwert wird mit einer unteren Klopfschwelle verglichen und
bei einem aktuellen Integralwert, der größer als die untere Klopfschwelle ist,
eine klopfende Verbrennung erkannt.
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Die
DE 197 44 163 A1 beschreibt
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Auswertung des Ionenstroms
einer Brennkraftmaschine. In einem ersten Schritt erfolgt eine Aufspaltung
des kontinuierlichen Datenstroms in die individuellen Anteile. Ein
nachgeschalteter Klassifikator unterscheidet anhand von Merkmalsvektoren
durch Vergleich mit entsprechend berechneten Schwellwerten zwischen
einer regulären
Verbrennung und Verbrennungsaussetzern.
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Die
DE 198 38 222 A1 zeigt
ein Verfahren zur Auswertung eines Ionenstroms einer Brennkraftmaschine,
bei dem ausgehend von dem zeitlichen Versatz eines lokalen Maximums
im Verlauf des Ionenstromsignals gegenüber dem Einspritzzeitpunkt
der Zündverzug
ermittelt wird.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
und eine Anordnung anzugeben, zur Messung und Beeinflussung von
Betriebsdaten einer Brennkraftmaschine, um den Verbrennungsvorgang
zu optimieren.
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder des Anspruchs
9 gelöst.
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Kern
der Erfindung liegt darin, daß das
Signal des Ionenstrom-Sensors mit einem Schwellenwert verglichen
wird, und die Winkelstellung oder der Zeitpunkt, bei dem das Signal
des Ionenstrom-Sensors den Schwellenwert übersteigt, als Verbrennungsbeginn
erkannt wird.
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Aufgrund
der starken Schwankungen des Ionenstrom-Sensor-Signals ist eine
geeignete Signalverarbeitung zur Extraktion der verbrennungsrelevanten
Parameter von entscheidender Bedeutung. Dabei kommt der Art und
Weise der Mitteilung bei der Extraktion der Parameter eine entscheidende
Rolle zu.
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Vorteil
der Erfindung ist, dass der Verbrennungsbeginn für das Steuergerät zur Verfügung stehen
und dadurch eine Optimierung der Verbrennung im gewünschten
Sinn erzielt werden kann. Dabei wird im Gegensatz zum Verfahren
mit einem Brennraum-Drucksensor keine zusätzliche Bohrung benötigt.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in den Figuren dargestellt.
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Es
zeigen:
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1:
ein Blockschaltbild der Erfindung
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2:
ein schematisiertes Flußdiagramm zur
Ermittlung der Betriebsdaten,
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3:
ein Diagramm des Ionenstrom-Sensor-Signals und des Brennraumdruck-Sensor-Signals.
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Die 1 zeigt
mit dem Bezugszeichen 20 eine mehrzylindrige Brennkraftmaschnine.
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.
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Vorzugsweise
ist wenigstens ein Zylinder mit einem Ionenstromsensor 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.
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Eine
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorgehensweise
ist in 2 dargestellt. Ausgehend von dem gemessenen Ionenstromsignal
I wird in Schritt 1 eine Offsetkorrektur durchgeführt. Dadurch
ist eine Kompensation der Schwankungen des Isolationswiderstandes
möglich.
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Vorzugsweise
dient der aus dem Offsetstrom berechnete Isolationswiderstand zu
Diagnosezwecken. Insbesondere bei kleinen Einspritzmengen und somit
kleinerem Ionenstromsignal kann ausgehend von der Offsetkorrektur 1 durch
eine weitergehende Kompensation von kurbelwellensynchronen Störungen eine
deutliche Verbesserung des Signals erreicht werden.
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Der
Ionenstrom setzt sich vereinfacht zusammen aus einem ersten Anteil,
dem Offsetstrom, der durch den elektrischen Widerstand des Stromkreises
gegeben ist, und einem zweiten Anteil, der eigentlichen Nutzinformation,
der aufgrund der Verbrennung und der dadurch entstehenden Ladungsträger entsteht
und somit zu einer Änderung
des Widerstands im Stromkreis führt.
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Der
erste Anteil, der sich mit der Zeit ändern kann, wird in einem geeigneten
Kurbelwellenwinkelbereich berechnet und für. die Auswertung abgezogen
(Offsetkorrektur). Nach dem Ohmschen Gesetz wird der zu dem Offsetstrom
gehörende
Widerstand (Isolationswiderstand) berechnet. Liegt dieser nicht innerhalb
eines gewissen Bereichs, wird auf Fehler erkannt und es werden geeignete
Maßnahmen
eingeleitet.
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Zu
diesen zwei Anteilen können
weitere Störanteile
hinzukommen, die durch geeignete Maßnahmen wie z. B. Filterung
kompensiert werden.
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Eine
Verbrennungserkennung ist in 2 als Pfad
I dargestellt. In einem Schritt 2 erfolgt eine Bandpaßfilterung,
im anschließenden
Schritt 3 erfolgt eine Betragsbildung. Dadurch lassen sich
Störungen eliminieren.
Anschließend
erfolgt in Schritt 4 eine Integration des Signals I über einen
geeigneten Kurbelwellenwinkelbereich. Hieraus resultiert eine Energiegröße.
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In
einem Schritt 5 wird diese Energiegröße mit einem in einem Kennfeld
A abgelegten ersten Schwellenwert verglichen. Überschreitet die Energiegröße den Schwellenwert
A, so wird eine erfolgte Verbrennung erkannt. Der verwendete Schwellenwert
ergibt sich dabei aus einem Kennfeld A in Abhängigkeit des aktuellen Betriebspunktes,
der vorzugsweise durch die Last und Drehzahl der Brennkraftmaschine
definiert ist.
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Zur
robusten Verbrennungserkennung ist die Auswertung der Verbrennungserkennung
einer geeigneten Anzahl von aufeinanderfolgenden einzelnen Arbeitsspielen
vorteilhaft.
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Vorzugsweise
werden die Werte der Energiegröße über mehrere
Verbrennungen gemittelt und anschließend mit dem Schwellenwert
verglichen. Als Alternative kann auch vorgesehen sein, daß die Einrichtung
eine Verbrennung erkennt, wenn der Schwellenwert mehrmals überschritten
wird.
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Die
Integration des vorverarbeiteten Ionenstrom-Signals erfolgt nur
in einem vorher festgelegten Kurbelwellenwinkelbereich, vorzugsweise
ist dies der Winkelbereich, in dem die Verbrennung stattfindet.
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Zur
Verbrennungserkennung wird der so ermittelte Integratorwert mit
einem Schwellenwert verglichen, der in einem Kennfeld z. B. in Abhängigkeit von
Last und Drehzahl abgelegt ist. Liegt der Integratorwert über der
Schwelle, hat eine Verbrennung stattgefunden. Im anderen Fall hat
keine Verbrennung stattgefunden.
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Erfindungsgemäß wird das
Signal des Ionenstromsensors integriert und mit einem Schwellenwert verglichen,
um eine erfolgte Verbrennung zu erkennen. Dabei wird vorzugsweise
das der Offsetkorrektur unterzogene Signal verwendet.
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Durch
Auswerten des Signals des Ionenstromsensors wird eine Größe erfaßt, die
eine Verbrennungsqualität
charakterisiert. Dabei wird insbesondere erkannt, ob eine Verbrennung
erfolgt ist.
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Die
detaillierte Ermittlung der Verbrennungsqualität erfolgt ausgehend dem Ausgangssignal,
das in Schritt 4 ermittelt wurde. Das integrierte Signal
wird in Schritt 6 einer Mittelwertbildung unterzogen. Ferner
wird in Schritt 6 die Varianz ermittelt. Dies erfolgt vorzugsweise über mehrere
Arbeitsspiele.
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Die
Varianz und/oder der Mittelwert werden zur Beurteilung der Verbrennungsqualität verwendet. Die
Beurteilung erfolgt in Schritt 7. In Abhängigkeit des
Betriebspunktes (Last, Drehzahl) wird beispielsweise durch Vergleich
mit einem Referenzkennfeld die Verbrennungsqualität angegeben.
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Die
Beurteilung der Verbrennungsqualität erfolgt durch Auswertung
der Integralwerte mehrerer Verbrennungen. Dazu werden im wesentlichen
zwei Kennwerte berechnet. Der Mittelwert gibt das Mittel der Integralwerte
der betrachteten Verbrennungen an. Die Varianz gibt an, wie stark
die betrachteten Integralwerte schwanken. Aussagen über die
Qualität der
Verbrennung erhält
man durch Vergleich dieser beiden Werte mit den Werten in einem
vorher applizierten Kennfeld. Für
eine gute Verbrennungsqualität muß der Mittelwert
einen gewissen Wert überschreiten
und die Varianz darf nicht zu groß werden.
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Erfindungsgemäß wird das
Signal des Ionenstromsensors integriert und einer Mittelwertbildung unterzogen,
um eine Größe, die
die Verbrennungsqualität
charakterisiert zu ermitteln. Dabei wird vorzugsweise das der Offsetkorrektur
unterzogene Signal verwendet. Als Größe, die die Verbrennungsqualität charakterisiert
wird vorzugsweise der Mittelwert und die Varianz verwendet.
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Die
Bestimmung des Verbrennungsbeginns ist in 2 anhand
Pfad III dargestellt. Ausgehend von dem offsetkorrigierten Ionenstromsignal
erfolgt in Schritt 8 in einem geeigneten Kurbelwellenwinkelbereich
ein Vergleich mit einem Schwellenwert. Der Schwellenwert ist in
Abhängigkeit
des Betriebspunktes (Last, Drehzahl) in einem Kennfeld B abgelegt. Die
Winkelstellung bei der das Signal den Schwellenwert überschreitet
wird in Schritt 9 als Verbrennungsbeginn erkannt.
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Die
Bestimmung des Verbrennungsbeginns kann auch mit parametrischen
Verfahren erfolgen
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Das
Ergebnis der Verbrennungsbeginnerkennung wird in Schritt 10 auf
Plausibilität
geprüft.
In die Prüfung
gehen die Verbrennungserkennung, die Verbrennungsqualität und die
Werte eines Kennfeldes C ein. In Kennfeld C sind in Abhängigkeit
vom Betriebspunkt (Last, Drehzahl) Grenzen für einen plausiblen Verbrennungsbeginn
abgelegt. Bei Vorliegen eines plausiblen Verbrennungsbeginns 10 wird dieser
Verbrennungsbeginn in Schritt 11 bei einer nachfolgenden
Mittelung berücksichtigt.
Die Mittelung in Schritt 11 erfolgt über eine geeignete Anzahl von
Arbeitsspielen. Die Mittelung erfolgt vorzugsweise als gleitende
Mittelwertbildung. Eine Mittelung ist aufgrund der Schwankungen
der Verbrennungen und der Ionenstromsignale nötig. Dieser so ermittelte Verbrennungsbeginn
kann bei der Steuerung der Brennkraftmaschine als Istwert für den Verbrennungsbeginn
verwendet werden. Insbesondere kann dieser Wert als Istwert einer
Verbrennungsbeginnregelung dienen. Eine solche Verbrennungsbeginnregelung kann
die Spritzbeginnregelung ergänzen
oder ganz ersetzen.
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Der
Verbrennungsbeginn wird in einem geeigneten Kurbelwellenwinkelbereich
bestimmt, d. h. in dem Bereich, in dem der Beginn der Verbrennung auftreten
kann. Der Zeitpunkt bzw. der Kurbelwellenwinkel, bei dem der Ionenstrom
einen vorher festgelegten Wert überschreitet,
wird als Verbrennungsbeginn angenommen. Da der Ionenstrom unter
Umständen
starken Schwankungen unterworfen ist, werden die so ermittelten
Werte für
den Verbrennungsbeginn der einzelnen Verbrennungen über eine
geeignete Anzahl von Verbrennungen gemittelt. Für die Mittelung werden nur
die Werte für
den Verbrennungsbeginn der Einzelverbrennungen verwendet, die in
einem plausiblen Bereich liegen. Der plausible Bereich ergibt sich
dadurch, daß bei
feststehendem Einspritzzeitpunkt der Beginn der Verbrennung nur
in einem gewissen Fenster nach dem Einspritzzeitpunkt liegen kann.
Anstatt der Erkennung des Brennbeginns mit einer Schwelle, kann
eine Erkennung auch mit Hilfe eines parametrischen Verfahrens erfolgen.
Parametrische Verfahren sind mathematische Berechnungsverfahren,
die Informationen z. B. über die
Form der Ionenstromsignale für
eine in diesem Fall bessere Berechnung des Verbrennungsbeginns ausnützen. D.
h. ein Modell für
den Ionenstrom liegt vor und es müssen nur noch die wenigen Parameter des
Modells bestimmt werden.
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Erfindungsgemäß wird das
Signal des Ionenstromsensors mit einem Schwellenwert verglichen, um
den Verbrennungsbeginn zu erkennen. Dabei wird vorzugsweise das
der Offsetkorrektur unterzogene Signal verwendet.
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Die
Ermittlung des Verbrennungsschwerpunktes ist in 2 in
Pfad IV dargestellt. Nach der Offsetkorrektur des Ionenstromsignals
in Schritt 1 erfolgt in Schritt 13 die Berechnung
des Flächenschwerpunktes
innerhalb eines für
die Auswertung geeigneten Kurbelwellenwinkelbereiches. Das Ergebnis
wird in Schritt 14 ebenfalls einer Plausibilitätsprüfung unterzogen.
Diese Prüfung
erfolgt anhand der Verbrennungsqualität, der Verbrennungserkennung
und anhand eines Wertes eines Kennfeldes D. In dem Kennfeld D sind
in Abhängigkeit
vom Betriebspunkt (Last, Drehzahl) Grenzen für einen plausiblen Flächenschwerpunkt
vorgegeben. Bei plausiblem Ergebnis wird der aktuelle Flächenschwerpunkt
bei der nachfolgenden Mittelung in Schritt 15 berücksichtigt. Die
Mittelung in Schritt 15 wird über eine geeignete Anzahl von
Arbeitsspielen durchgeführt
und ist vorzugsweise als gleitende Mittelwertbildung ausgebildet.
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Eine
Mittelung ist aufgrund der Schwankungen der Verbrennungen und der
Ionensstromsignale nötig.
Da der aus dem Ionenstrom ermittelte Flächenschwerpunkt gegenüber dem
aus dem Druck ermittelten Verbrennungssschwerpunkt in Abhängigkeit vom
Betriebspunkt eine konstante Verschiebung aufweist, kann in Schritt 16 eine
Korrektur mit Hilfe eines Kennfeldes vorgesehen sein.
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Der
Verbrennungsschwerpunkt wird vorzugsweise als Istwert zur Regelung
der Verbrennungslage verwendet. Desweiteren kann er als Betriebskenngröße für Steuerungen
und/oder Regelung anderer Stellgrößen verwendet werden. So kann
beispielsweise der Spritzbeginn berücksichtigt werden.
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Anstatt
des Schwerpunktes können
auch andere Größen wie
zum beispielsweise der Flächenmittelpunkt
berechnet werden. Dabei stellt der Flächenmittelpunkt eines bestimmte
Kurbelwellenwinkels dar mit der Eigenschaft, daß links und rechts dieser Position
gleiche Flächen
des Ionenstromsignals liegen.
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Die
Berechnung des Flächenschwerpunktes erfolgt
nach einer üblichen
Formel. Als Ergebnis liefert diese Rechnung einen Wert für die Winkelposition
der Kurbel- oder Nockenwelle für
den Flächenschwerpunkt.
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Da
das Ionenstromsignal sehr stark variieren kann, muß das Ergebnis
des Flächenschwerpunktes jeder
Verbrennung auf Plausibilität
geprüft
werden. Dies erfolgt anhand eines Kennfeldes, in dem in Abhängigkeit
des Betriebszustandes Grenzen für
den Anfang und das Ende des Flächenschwerpunktes angegeben
sind. Falls der aktuell berechnete Flächenschwerpunkt außerhalb
der Grenzen liegt, wird dieser Wert nicht für die nachfolgende Mittelung
verwendet. Die Mittelung erfolgt zur Generierung eines stabilen Flächenschwerpunktes,
wobei sich die Mittelungslänge
als Kompromiß aus
der Anforderung einer schnellen Anpassung an Änderungen des Betriebspunktes
und aus der gewünschten
Stabilität des
Flächenschwerpunktes
ergibt. Nachgeschaltet ist eine betriebspunktabhängige Korrektur mit einem Kennfeld
zur Generierung eines Wertes, der dem Verbrennungsschwerpunkt des
Druckes entspricht und somit für
eine Regelung verwendet werden kann.
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Bei
einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß zur Erkennung
des Brennbeginns und des Verbrennungs schwerpunktes eine Mittelung in
Pfad III und Pfad IV schon nach der Offsetkorrektur erfolgt. Die
Mittelung erfolgt dabei über
die aufbereiteten Zeitsignale des Ionenstroms. Dabei werden zur Mittelung
nur die Verbrennungen verwendet, die ausreichend Information enthalten.
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Anhand
des erfindungsgemäßen Verfahrens und
der erfindungsgemäßen Anordnung
ist die Erkennung des Verbrennungsbeginns und des Verbrennungsschwerpunkts
in 3 exemplarisch dargestellt. Der Verbrennungsschwerpunkt
wird aus dem Flächenschwerpunkt
des Ionenstroms durch Korrektur mit einem betriebspunktabhängigen Kennfeld 16 generiert.
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Die 3 zeigt
mit der gestrichelten Linie P den Druckverlauf im Zylinder und mit
der durchgezogenen Linie I das Ionenstrom-Sensorsignal über dem Kurbelwellenwinkel
(Grad KW) aufgetragen. Ferner sind der Brennbeginn X und der Flächenschwerpunkt Y
mit senkrechten strichpunktierten Linien markiert.
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Der
Druckverlauf hat vor dem Oberen Totpunkt bei O Grad ein Maximum,
sattelt dann um den oberen Totpunkt ein und steigt dann zu einem
zweiten, kleineren Maximum an. Das Ionenstromsensor-Signal hat in
etwa bei der Einsattelung des Druckverlaufs einen ersten kleinen
Peak und in etwa bei 30° Kurbelwellenumdrehung
nach dem Oberen Totpunkt ein Maximum.
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Besonders
vorteilhaft ist es dabei, daß die
ermittelten Größen, wie
beispielsweise der Verbrennungsbeginn, die Größe, die eine erfolgte Verbrennung
charakterisiert und/oder die Verbrennungsqualität, durch Vergleich mit Schwellenwerten
auf Plausibilität
(10) geprüft
Die Schwellenwerte, mit denen die Größen verglichen werden, um die
Größen zu ermitteln
und/oder auf Plausibilität
zu erkennen, sind vorzugsweise in Abhängigkeit des aktuellen Betriebspunkts,
insbesondere von Last und Drehzahl, vorgebbar.
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Um
die Signalaufbereitung zu vereinfachen erfolgt die Auswertung vorzugsweise
nur innerhalb eines Winkelbereichs. Diese Winkelbereich der Kurbelwelle
oder der Nockenwelle entspricht dem Winkelbereich in dem die Verbrennung
voraussichtlich erfolgt.
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Eine
zuverlässigere
Ermittlung der Größen ergibt
sich durch eine Mittelung über
mehrere Arbeitsspiele, das heißt
mehrere Verbrennungszyklen. Vorzugsweise erfolgt eine gleitende
Mittelwertbildung.