DE10017560A1 - Detecting internal pressure in cylinders of internal combustion engine involves detecting pressure-related deformation of valve body for cylinder(s) with closed valves during operation - Google Patents

Detecting internal pressure in cylinders of internal combustion engine involves detecting pressure-related deformation of valve body for cylinder(s) with closed valves during operation

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Abstract

The method involves detecting the pressure-related deformation of a valve body for at least one cylinder with closed valves during operation and producing a corresponding signal. The deformation of the valve shaft can be detected for a poppet valve with a valve shaft connected to a valve drive. Deformation is detected by measuring the relative displacement of an emitter connected to the valve shaft with respect to a fixed sensor.

Description

Bei Kolbenbrennkraftmaschinen ist die Kenntnis des Zylinder­ innendrucks jeweils während der Verbrennung in einem Zylin­ der, insbesondere bei der Entwicklung von wesentlicher Bedeu­ tung. Um den Zylinderinnendruck erfassen zu können, war es bisher erforderlich, Drucksensoren im Zylinderkopf oder in der Zylinderkopfdichtung in Brennraumnähe anzuordnen. Dies war bisher schwierig, da die bisher eingesetzten Drucksenso­ ren nicht dauerfest sind, d. h. auf Dauer weder den hohen me­ chanischen noch den hohen temperaturbedingten Beanspruchungen standhalten. Bei der Verwendung sogenannter Druckquarze erge­ ben sich erhebliche Probleme, diese in Brennraumnähe anzuord­ nen. Hinzu kommt dann noch ein erheblicher Aufwand für die Kühlung.In piston internal combustion engines, the knowledge of the cylinder internal pressure during combustion in a cylinder which, especially in the development of essential importance tung. To be able to measure the cylinder pressure, it was previously required, pressure sensors in the cylinder head or in the cylinder head gasket close to the combustion chamber. This was difficult so far because the pressure sensors used so far are not permanent, d. H. in the long run neither the high me still high temperature-related stresses withstand. Erge when using so-called pressure quartz There are considerable problems in locating them near the combustion chamber nen. In addition, there is a considerable effort for the Cooling.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Innen­ druck in Zylindern einer Kolbenbrennkraftmaschine in anderer Weise zuverlässig zu erfassen.The invention is therefore based on the object, the inside pressure in cylinders of a piston internal combustion engine in another Way to capture reliably.

Als Verfahren zur Erfassung des Innendrucks in Zylindern ei­ ner Kolbenbrennkraftmaschine, deren Gaseinlaßkanäle und Gas­ auslaßkanäle mit Gaswechselventilen versehen sind, die je­ weils einen mit einem Ventiltrieb verbundenen Ventilkörper aufweisen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß im Betrieb bei wenigstens einem Zylinder bei geschlossenen Gaswechsel­ ventilen an wenigstens einem Ventilkörper die druckbedingte Deformation des Ventilkörpers erfaßt und ein Signal erzeugt wird. Die Signalerfassung kann je nach Anwendung auf die Ven­ tilschließzeit, insbesondere in bezug auf die Kurbelwellen­ stellung vorgenommen werden. Bei der Untersuchung des dynami­ schen Verhaltens von Ventilkörpern an Kolbenbrennkraftmaschi­ nen wurde festgestellt, daß bei geschlossenen Gaswechselven­ tilen während des Verbrennungsvorganges die eingesetzten Wegsensoren jeweils eine an sich nicht vorhandene "Ventilbe­ wegung" anzeigten. Bei entsprechender Veränderung der Be­ triebsweise der untersuchten Kolbenbrennkraftmaschine mit je­ weils anderen Zylinderinnendrücken konnte dann festgestellt werden, daß die von den Wegsensoren erfaßte "Ventilbewegung" in ihrer Größe, d. h. im Hinblick auf den angeblich zurückge­ legten "Weg" druckabhängig ist und daher auf eine druckpro­ portionale Deformation des Ventilkörpers zurückzuführen ist. Damit ist eine einfache Weise zur Zylinderdruckindizierung bei Kolbenbrennkraftmaschinen gegeben, da die Erfassung des Zylinderinnendrucks indirekt über die Messung dieses tatsäch­ lich nicht vorhandenen Ventilweges während der sogenannten Grundkreisphase erfaßt werden kann. Über die Erfassung des Zylinderinnendrucks lassen sich auch Verbrennungsanomalien, beispielsweise eine klopfende Verbrennung oder auch ein Ver­ brennungs- bzw. Zündaussetzer, erkennen, auch in Form einer "on-board-Diagnose". Damit kann die bisher übliche Klopfsen­ sorik entfallen. Auch die Lage, bezogen auf den Kurbelwinkel und/oder die Höhe des Zylinderinnendrucks läßt sich erfassen, so daß hiernach eine Optimierung des Verbrennungsverlaufs und/oder des Zündzeitpunktes vorgenommen werden kann.As a method for detecting the internal pressure in cylinders ei ner piston internal combustion engine, its gas inlet channels and gas outlet channels are provided with gas exchange valves, each because a valve body connected to a valve train have, it is proposed according to the invention that in operation with at least one cylinder with the gas exchange closed valves on at least one valve body the pressure-related Deformation of the valve body is detected and a signal is generated becomes. Depending on the application, the signal acquisition can be applied to the Ven closing time, especially with regard to the crankshafts position. When examining the dynami behavior of valve bodies on piston internal combustion engines NEN was found that with closed gas exchange valves tilen the used during the combustion process  Displacement sensors each have a valve valve that does not exist per se movement ". If the movement changes accordingly drive of the examined piston internal combustion engine with each because other cylinder pressures could then be determined that the "valve movement" detected by the displacement sensors in size, d. H. with regard to the allegedly retired put "way" is pressure dependent and therefore on a pressure pro proportional deformation of the valve body. This is a simple way of indexing cylinder pressure given piston internal combustion engines because the detection of the Cylinder internal pressure indirectly by measuring this actual Lich nonexistent valve path during the so-called Base circle phase can be detected. About the capture of the Internal combustion pressure, combustion anomalies, for example a knocking combustion or a ver misfire or misfire, also in the form of a "on-board diagnosis". This allows the usual knocking sorik are eliminated. Also the location, based on the crank angle and / or the level of the cylinder internal pressure can be recorded, so that afterwards an optimization of the combustion process and / or the ignition timing can be made.

Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren ist bei Ventil­ körpern, die als Tellerventil ausgebildet und mit einem Ven­ tilschaft versehen sind, der mit dem Ventiltrieb verbunden ist, die Erfassung der Deformation des Ventilkörpers am Ven­ tilschaft vorgesehen. Hierbei wird mit Vorteil ausgenutzt, daß der mit seinem Rand am Ventilsitz aufliegende Ventiltel­ ler in seinem Mittenbereich infolge des bei der Verbrennung stark ansteigenden Innendrucks nach außen ausgebeult wird. Damit erfolgt die größte Deformation des durch den Ventiltel­ ler gebildeten Ventilkörpers gerade in dem Bereich, an dem auf der Außenseite der Ventilschaft angeordnet ist, so daß die Deformation des Ventilkörpers deutlich nach außen über­ tragen wird. Hierbei konnten deformationsbedingte "Ventilwe­ ge" am Ventilschaft druckabhängig im Bereich von 0,03 bis 0,05 mm ermittelt werden. According to the method according to the invention is with valve bodies that are designed as a poppet valve and with a Ven tilschaft are provided, which is connected to the valve train is, the detection of the deformation of the valve body on the Ven provided for. This is used to advantage, that the valve part resting with its edge on the valve seat ler in its central area as a result of the combustion greatly increasing internal pressure bulges outwards. This causes the greatest deformation of the valve ler formed valve body just in the area where is arranged on the outside of the valve stem, so that the deformation of the valve body clearly outwards will wear. Here deformation-related "Ventilwe depending on pressure in the range from 0.03 to 0.05 mm can be determined.  

Derartige Größenordnungen lassen sich schon mit konventionel­ ler Meßtechnik erfassen. Hierzu ist es erforderlich, daß zur Erfassung der Deformation des Ventilkörpers über einen mit dem Ventilschaft verbundenen Geber die relative Verschiebung des Gebers gegenüber einem ortsfest angeordneten Sensor er­ faßt wird. Als Geber/Sensor-Paarungen können hierbei bei­ spielsweise induktiv oder auch kapazitiv wirkende Systeme eingesetzt werden.Such orders of magnitude can already be achieved with conventional ones ler measurement technology. This requires that Detection of the deformation of the valve body using a the relative displacement to the sensor connected to the valve stem the encoder compared to a stationary sensor is caught. As encoder / sensor pairings you can use for example inductive or capacitive systems be used.

Bei Kolbenbrennkraftmaschinen, bei denen die Gaswechselventi­ le jeweils mit einem Ventiltrieb versehen sind, der einen Wegsensor aufweist, wie dies bei elektromechanischen bzw. elektromagnetischen Ventiltrieben der Fall ist, kann über den ohnehin vorhandenen Wegsensor, der die Bewegung des Ventil­ körpers im Betrieb erfaßt, auch die Deformation des Ventil­ körpers erfaßt werden.In piston internal combustion engines in which the gas exchange valves le are each provided with a valve train that one Has displacement sensor, as is the case with electromechanical or electromagnetic valve trains can be the case anyway existing displacement sensor that the movement of the valve body during operation, including the deformation of the valve be detected body.

Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen näher er­ läutert. Es zeigen:The invention is based on schematic drawings he purifies. Show it:

Fig. 1 den Weg eines Gasauslaßventils in Abhängigkeit von der Zeit in der Endphase kurz vor dem Schließen sowie in der Grundkreisphase; Figure 1 shows the path of a gas outlet valve depending on the time in the final phase shortly before closing and in the base circle phase.

Fig. 2 schematisch ein Gaswechselventil in Schließstel­ lung in der Wegkurve 1. Fig. 2 shows schematically a gas exchange valve in the closing Stel lung in the displacement curve. 1

In Fig. 1 ist mit dem Kurvenast 1.1 die Endphase der Schließ­ bewegung eines als Tellerventil ausgebildeten Gasauslaßven­ tils an einer Viertakt-Kolbenbrennkraftmaschine in Abhängig­ keit von der Zeit dargestellt. Soll jedoch nach der Signaler­ fassung ein Eingriff in die Regelung oder Steuerung erfolgen, beispielsweise zur Optimierung des Verbrennungsverlaufs und/oder des Zündzeitpunktes, dann ist eine Erfassung in Ab­ hängigkeit von der Kurbelwellenstellung (Grad Kurbelwinkel) angezeigt, da diese Vorgabe für die Motorsteuerung ohnehin vorhanden ist oder durch eine Verknüpfung mit einer Zeitmes­ sung in der Motorsteuerung abgelegt ist. Der Kurvenast 1.1 zeigt hierbei die tatsächliche Bewegung des Gaswechselventils in Schließrichtung, die beim Erreichen der Null-Marke beendet ist. Die Wegkurve 1 läßt im Bereich a deutlich die durch das Aufsetzen des Ventiltellers auf dem Ventilsitz bedingte ela­ stische Schwingung des Ventiltellers erkennen. Im Bereich b befindet sich dann der Ventilteller praktisch in Ruhe. Im Be­ reich c ist dann eine weitere "Ventilbewegung" über die durch den Ventilsitz vorgegebene Null-Marke hinaus in Schließrich­ tung erfolgt. Diese "Ventilbewegung" steigt zunächst in Schließrichtung an und fällt dann entsprechend der beginnen­ den Kolbenbewegung in Richtung auf den unteren Totpunkt wie­ der auf die Null-Marke ab, sobald die Öffnungsbewegung des Gasauslaßventils ist an dem steilen Anstieg des Kurvenastes 1.2 zu erkennen ist. Dieser angebliche "Ventilweg" Δs ist eindeutig auf druckbedingte Verformungen des Ventiltellers zurückzuführen, die sich vom Ventilteller auf den Ventil­ schaft übertragen und dort erfaßt werden können.In Fig. 1 with the curve branch 1.1, the final phase of the closing movement of a gas valve designed as a poppet valve on a four-stroke piston internal combustion engine is shown as a function of time. If, however, an intervention in the regulation or control takes place after the signal detection, for example to optimize the combustion process and / or the ignition timing, then a detection depending on the crankshaft position (crank angle degrees) is indicated, since this specification already exists for the engine control is or stored in the engine control system by a link to a time measurement. The curve branch 1.1 shows the actual movement of the gas exchange valve in the closing direction, which ends when the zero mark is reached. The path curve 1 clearly shows in the area a caused by the placement of the valve plate on the valve seat ela-elastic vibration of the valve plate. The valve disc is then practically at rest in area b. In area C, a further "valve movement" then takes place in the closing direction beyond the zero mark specified by the valve seat. This "valve movement" initially rises in the closing direction and then falls in accordance with the beginning of the piston movement in the direction of bottom dead center as that to the zero mark as soon as the opening movement of the gas outlet valve can be recognized from the steep rise in curve branch 1.2 . This alleged "valve path" Δ s is clearly attributable to pressure-related deformations of the valve plate, which are transferred from the valve plate to the valve stem and can be detected there.

In Fig. 2 ist ein Gaswechselventil 2 in Form eines Tellerven­ tils dargestellt, das einen Ventilteller 3 aufweist, der bei geschlossenem Gaswechselventil auf dem Ventilsitz 4 aufsitzt. Der Ventilteller 3 ist mit einem Ventilschaft 5 verbunden, der nach außen herausgeführt ist und an seinem freien Ende mit einem Federteller 6 verbunden ist. Über den Federteller 6 und eine Schließfeder 7 wird das Gaswechselventil in der dar­ gestellten Schließstellung gehalten. Zum Öffnen wird durch die Krafteinwirkung (Pfeil 8) eines hier nicht näher darge­ stellten Ventiltriebes das Gaswechselventil 2 gegen die Rück­ stellkraft der Schließfeder 7 in Öffnungsstellung verschoben.In Fig. 2, a gas exchange valve 2 is shown in the form of a Tellerven valve, which has a valve plate 3 , which sits on the valve seat 4 when the gas exchange valve is closed. The valve plate 3 is connected to a valve stem 5 which is led outwards and is connected at its free end to a spring plate 6 . About the spring plate 6 and a closing spring 7 , the gas exchange valve is held in the closed position shown. To open the gas exchange valve 2 is moved against the return force of the closing spring 7 in the open position by the force (arrow 8 ) of a valve train not shown here Darge.

Wird nun, wie vorstehend anhand von Fig. 1 beschrieben, bei geschlossenem Ventil durch den sich beim Zünden aufbauenden Gasdruck der Ventilteller 3 entsprechend mit Druck beauf­ schlagt, dann wird der Ventilteller 3 in seinem Mittenbereich entsprechend der punktierten Linie 9 nach außen durchgebogen. Die Durchbiegung ist hierbei stark vergrößert wiedergegeben. Da der Ventilschaft 5 mittig am Ventilteller 3 befestigt ist, verschiebt sich auch der Schaft 5 gegenüber einer fiktiven Null-Marke 10 entsprechend um das Maß Δs. Diese Verschiebung setzt sich über den gesamten Ventilschaft 5 fort, so daß über einen Sensor 11, der einem Geber am Ventilschaft 5 zugeordnet ist, beispielsweise dem Federteller 6 als Geber, dieser scheinbare Ventilweg Δs sich erfassen und als verarbeitbares Signal einer Meßeinrichtung 12 zuführen läßt.If, as described above with reference to FIG. 1, the valve disk 3 is subjected to pressure accordingly when the valve is closed due to the gas pressure building up during ignition, then the valve disk 3 is bent outwards in its central region in accordance with the dotted line 9 . The deflection is shown greatly enlarged. Since the valve stem 5 is fixed centrally on the valve plate 3, and the shaft 5 moves with respect to a notional zero mark 10 corresponding to the degree Δ s. This shift continues over the entire valve stem 5 , so that this apparent valve path Δ s can be detected and fed as a processable signal to a measuring device 12 via a sensor 11 which is assigned to a sensor on the valve stem 5 , for example the spring plate 6 as a sensor .

Da die Größe des scheinbaren Ventilwegs Δs abhängig von dem sich jeweils bei geschlossenen Gaswechselventilen im Zylinde­ rinnenraum aufbauenden Innendruck ist, läßt sich nach ent­ sprechender Eichung indirekt über diesen scheinbaren Ventil­ weg Δs der jeweilige Zylinderinnendruck angeben. Aus der Höhe und/oder dem zeitlichen Verlauf der Wegkurve während der Schließzeit des Gaswechselventils lassen sich dann auch Rück­ schlüsse auf Verbrennungsanomalien ziehen. Zündaussetzer (Fehler oder Ausfall der Zündeinrichtung) oder Verbrennungs­ aussetzer (kein oder zu wenig Kraftstoff) sind ebenso aus ei­ nem veränderten Kurvenverlauf erfaßbar wie beispielsweise ei­ ne klopfende Verbrennung, die durch eine Vorverlagerung der Druckspitze und andere Druckhöhen erkennbar ist.Since the size of the apparent valve path Δ s is dependent on the internal pressure building up in the cylinder interior when the gas exchange valves are closed, after appropriate calibration can be indicated indirectly via this apparent valve way Δ s the respective cylinder internal pressure. Conclusions about combustion anomalies can then also be drawn from the height and / or the time curve of the path during the closing time of the gas exchange valve. Misfires (failure or failure of the ignition device) or misfires (no or too little fuel) can also be detected from a changed curve, such as knocking combustion, which can be recognized by a forward displacement of the pressure peak and other pressure levels.

Die in Fig. 2 schematisch durch den Federteller 6 und den Sensor 11 wiedergegebene Geber/Sensor-Anordnung kann als elektro-induktives System ausgebildet sein. Auch elektro-ka­ pazitive Systeme oder auch inkremental wirkende Geber/Sensor- Anordnungen, die mit dem Ventilschaft in Verbindung stehen, können eingesetzt werden. Wichtig ist nur, daß die relative Verschiebung des Ventilschaftes gegenüber dem Motorgehäuse bzw. dem Zylinderkopf durch eine entsprechend ortsfeste An­ ordnung des Sensors erfaßt wird.The sensor / sensor arrangement shown schematically in FIG. 2 by the spring plate 6 and the sensor 11 can be designed as an electro-inductive system. Electro-capacitive systems or incrementally acting sensors / sensor arrangements that are connected to the valve stem can also be used. It is only important that the relative displacement of the valve stem relative to the engine housing or the cylinder head is detected by a correspondingly fixed arrangement of the sensor.

Wird der Sensor 11 unmittelbar auf dem Zylinderkopf angeord­ net, so müssen gegebenenfalls im Rahmen der Eichung Tempera­ turdehnungen des Zylinderkopfes eliminiert werden, wohingegen druckabhängige Verformungen des Zylinderkopfes unschädlich sind, da diese unmittelbar und druckabhänig zur Vergrößerung des zu erfassenden Δs beitragen. Bei der Anordnung des orts­ festen Sensors 11 außerhalb von Bereichen des Motorblocks, die unterschiedlichen Temperaturdehnungen unterworfen sind, muß zumindest die temperaturabhängige Längenänderung des Ven­ tilschaftes 5 mit berücksichtigt werden. Alternativ kann durch Fensterung des Signals auf den Bereich C eine Zu-Null- Setzung des Signals am Beginn des Fensters vorgenommen wer­ den, wodurch Fehler aufgrund von Längenänderungen verhindert werden können.If the sensor 11 is arranged directly on the cylinder head, temperature expansions of the cylinder head may have to be eliminated as part of the calibration, whereas pressure-dependent deformations of the cylinder head are harmless, since they contribute directly and in a pressure-dependent manner to the increase in the Δ s to be recorded. In the arrangement of the fixed sensor 11 outside areas of the engine block, which are subject to different temperature expansions, at least the temperature-dependent change in length of the Ven tilschaftes 5 must be taken into account. Alternatively, the signal can be set to zero at the beginning of the window by fencing the signal to region C, which can prevent errors due to changes in length.

Wird zur Einleitung der Öffnungskraft (Pfeil 8) als Ventil­ trieb ein sogenannter elektromagnetischer Ventiltrieb einge­ setzt, bei dem ein Anker oszillierend zwischen zwei Polflä­ chen zweier Elektromagneten in Öffnungsrichtung und in Schließrichtung hin- und herbewegt wird, dann ist in der Re­ gel an einem derartigen elektromagnetischen Ventiltrieb ein Wegsensor vorhanden, über den die Bewegung des Ventilkörpers erfaßt wird, um beispielsweise beim Schließen des Gaswechsel­ ventils ein sanftes Aufsetzen des Ventiltellers 3 auf seinem Ventilsitz 4 durch eine entsprechende Führung der Strombeauf­ schlagung zu bewirken. Über diesen vorhandenen Wegsensor kann dann auch die Innendruckindizierung abgegriffen werden.Is used to initiate the opening force (arrow 8 ) as a valve operated a so-called electromagnetic valve train is set, in which an armature oscillating between two Polflä surfaces of two electromagnets is moved back and forth in the opening direction and in the closing direction, then is in the Re gel on such electromagnetic valve train, a displacement sensor is available, via which the movement of the valve body is detected, for example, when closing the gas exchange valve to cause a gentle placement of the valve plate 3 on its valve seat 4 by appropriate guidance of the current flow. The internal pressure indication can then also be tapped via this existing displacement sensor.

Claims (5)

1. Verfahren zur Erfassung des Innendrucks in Zylindern einer Kolbenbrennkraftmaschine, deren Gaseinlaßkanäle und Gasaus­ laßkanäle mit Gaswechselventilen versehen sind, die jeweils einen mit einem Ventiltrieb verbundenen Ventilkörper aufwei­ sen, dadurch gekennzeichnet, daß im Betrieb bei wenigstens einem Zylinder bei geschlossenen Gaswechselventilen an wenig­ stens einem Ventilkörper die druckbedingte Deformation des Ventilkörpers erfaßt und ein Signal erzeugt wird.1. A method for detecting the internal pressure in cylinders of a piston internal combustion engine, the gas inlet channels and Gasaus lasskanäle are provided with gas exchange valves, each having a valve body connected to a valve train sen, characterized in that in operation with at least one cylinder with closed gas exchange valves at least one Valve body detects the pressure-related deformation of the valve body and a signal is generated. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ventilkörpern, die als Tellerventil ausgebildet und mit einem Ventilschaft versehen sind, der mit dem Ventiltrieb verbunden ist, die Deformation des Ventilkörpers am Ventilschaft erfaßt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that at Valve bodies, which are designed as a poppet valve and with a Valve stem are provided, which is connected to the valve train is, the deformation of the valve body on the valve stem is detected becomes. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung der Deformation des Ventilkörpers über ei­ nen mit dem Ventilschaft verbundenen Geber die relative Ver­ schiebung des Gebers gegenüber einem ortsfest angeordneten Sensor erfaßt wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that to detect the deformation of the valve body via egg relative sensors connected to the valve stem displacement of the encoder relative to a stationary arrangement Sensor is detected. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein mit dem Ventiltrieb verbundener Wegsen­ sor, über den die Bewegung des Ventilkörpers im Betrieb er­ faßt wird, auch die Deformation des Ventilkörpers erfaßt wird.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized ge indicates that Wegsen connected to the valve train sensor over which the movement of the valve body during operation is captured, the deformation of the valve body is also detected becomes. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die druckbedingte Deformation des Ventil­ körpers in Abhängigkeit von der Zeit und/oder der Kurbelwel­ lenstellung erfaßt wird.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized ge indicates that the pressure-related deformation of the valve body depending on the time and / or the crankshaft lenposition is detected.
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