DE19749817A1

DE19749817A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Ermittlung des Spritzbeginns oder der Verbrennungslage

Info

Publication number: DE19749817A1
Application number: DE1997149817
Authority: DE
Inventors: Matthias Dr Kuesell; Dirk-Rene Boehm
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-11-11
Filing date: 1997-11-11
Publication date: 1999-05-12
Anticipated expiration: 2017-11-12
Also published as: DE19749817B4; GB2331153B; GB2331153A; GB9823890D0

Description

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung bzw. von einem Verfahren zur Ermittlung des Spritzbeginns oder der Verbren nungslage bei einer Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Zylinderdrucksensor nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Stand der Technik

Es ist bekannt, den Verlauf des Brennraumdrucks in wenig stens einem Zylinder einer Brennkraftmaschine mit Hilfe ge eigneter Drucksensoren zu ermitteln und aus dem Druckverlauf in Abhängigkeit vom Kurbelwellenwinkel bestimmte Betriebszu stände der Brennkraftmaschine zu erkennen und daraus Ansteu ersignale zur Steuerung der Brennkraftmaschine zu gewinnen. Üblicherweise ist dabei jedem Zylinder der Brennkraftmaschi ne ein Brennraumdrucksensor zugeordnet, zusätzlich wird ein Kurbelwellenwinkelsensor eingesetzt, der ein Ausgangssignal liefert, das repräsentativ ist für die Kurbelwellenstellung. Beide Signale werden gemeinsam vom Steuergerät der Brenn kraftmaschine ausgewertet. Eine solche Vorrichtung bzw. ein zugehöriges Verfahren zur Auswertung der Ausgangssignale von Brennraumdrucksensoren ist in Verbindung mit einer Zündungs regelung, beispielsweise aus der DE OS 43 41 796 bekannt. Bei dieser bekannten Vorrichtung bzw. dem zugehörigen Ver fahren wird aus dem Brennraumdruck in Abhängigkeit vom Kur belwellenwinkel die Verbrennungslage in jedem Zylinder der Brennkraftmaschine ermittelt, wobei der gemessene Brennraum druckverlauf verglichen wird mit einem gespiegelten Druck verlauf. Dieser gespiegelte Druckverlauf wird erhalten, in dem der zwischen 0°KW und dem oberen Totpunkt OT gemessene Druckverlauf zwischen OT und 360° symmetrisch fortgesetzt wird. Ein solcher Druckverlauf würde auftreten, wenn die Verhältnisse im Zylinder vollkommen symmetrisch wären und keine Verbrennung stattfinden würde.

Die Berücksichtigung des gespiegelten Druckverlaufs kann un ter realen Bedingungen zu Ungenauigkeiten führen, es ist da her Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit zu geben, den gemessenen Brennraumdruckverlauf mit einem eindeutig repro duzierbaren Druckverlauf zu vergleichen, um aus diesem Ver gleich den Spritzbeginn, also den Beginn der Einspritzung in den Zylinder zu erkennen oder um die exakte Verbrennungslage zu ermitteln.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung des Spritzbeginns oder der Verbren nungslage bei einer Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Zylinderdrucksensor hat den Vorteil, daß eine besonders si chere und zuverlässige Signalauswertung möglich ist. Durch die besonders genaue Auswertemöglichkeit läßt sich sowohl der Spritzbeginn als auch die Verbrennungslage genau bestim men, wodurch in vorteilhafter Weise die für die Regelung der Brennkraftmaschine benötigten Ansteuersignale besonders ex akt gebildet werden können.

Erzielt werden diese Vorteile indem bei einer Vorrichtung und einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 der Druckverlauf in einem vorgebbaren Kurbelwellenwinkelin tervall mit wenigstens einem unter Berücksichtigung von thermodynamischen Zusammenhängen berechneten und abgespei cherten Druckverlauf verglichen wird und aus dem Vergleich sergebnis der Spritzbeginn oder die Verbrennungslage dann erkannt wird, wenn das Vergleichsergebnis einen vorgebbaren Schwellwert überschreitet.

Weitere Vorteile der Erfindung werden durch die in den Un teransprüchen angegebenen Maßnahmen erzielt. Einer dieser weiteren Vorteile besteht darin, daß durch Aufintegrieren der Differenzwerte und Vergleich des erhaltenen Integrals mit einem anderen, ebenfalls vorgebbaren Schwellwert eine verbesserte Störsicherheit erhalten wird, da kurze Störim pulse durch die Integration in ihrer Wirkungsweise gedämpft werden. Aus der erkannten Lage des Spritzbeginns läßt sich eine Bedingung ableiten, die in vorteilhafter weise als Nullpunkt definiert werden kann.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren werden in vorteilhafter weise bei einem Dieselmo tor eingesetzt. Vorteilhafterweise wird dabei der Spritzbe ginn nicht mehr auf eine Soll-Lage des Spritzbeginns gere gelt, sondern auf eine Lage der Verbrennung. Die Verbren nungslage wird dann aus dem Aufintegrieren aller Differenzen der beiden Druckverläufe in einem bestimmten Intervall oder über den gesamten Verbrennungszyklus erhalten. Aus diesem Integral kann die Verbrennungslage beispielsweise bei einem 50%-Integral festgelegt werden, wobei diese Lage dann als Istgröße einer Verbrennungslage genutzt wird und gleichzei tig als Stellgröße der Einspritzzeitpunkt verwendet wird.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Im einzelnen zeigt Fig. 1 eine an sich schon be kannte Einrichtung zur Erfassung des Druckverlaufs in den Zylindern eine Brennkraftmaschine. Fig. 2 zeigt den gemes senen Druckverlauf über dem Kurbelwellenwinkel a sowie einen anhand von thermodynamischen Größen berechneten Druckver lauf.

Beschreibung

In Fig. 1 sind die erfindungswesentlichen Bestandteile ei ner Vorrichtung zur Ermittlung des Spritzbeginns oder der Verbrennungslage bei einer Brennkraftmaschine durch Auswer tung des Brennraumdrucks dargestellt. Bei einer solchen Vor richtung sind in den Zylindern 10, 11, 12 und 13 der Brenn kraftmaschine jeweils Zylinderdrucksensoren 14, 15, 16 und 17 angeordnet, die druckproportionale Ausgangsspannungen U1, U2, U3 und U4 abgeben. Weiterhin ist ein Kurbelwellensensor 18 vorhanden, der ein für den Kurbelwellenwinkel α charakte ristisches Ausgangssignal S1 abgibt.

Sowohl die Ausgangsspannungen der Zylinderdrucksensoren 14, 15, 16 und 17 als auch das Ausgangssignal des Kurbelwellen sensors 18 werden dem Steuergerät 19 der Brennkraftmaschine zugeführt, das diese Signale verarbeitet. Über Eingänge 20 können dem Steuergerät weitere Signale, beispielsweise eine Temperatur T, eine Last L usw. zugeführt werden, die im Steuergerät 19 ebenfalls weiter verarbeitet werden können.

Das Steuergerät 19 umfaßt einen Multiplexer 21, über den wahlweise die Ausgangsspannungen der Zylinderdrucksensoren zu einem Analog-Digitalwandler 22 geführt werden. Die Um schaltung des Multiplexers 21 erfolgt Kurbelwellenwinkelab hängig und wird durch entsprechende Ansteuerungen vom Steu ergerät 19 ausgelöst. Wird ein mehrkanaliger Analog- Digitalwandler eingesetzt, kann der Multiplexer 21 entfal len. Die eigentliche Auswertung der Signale erfolgt in einem Mikroprozessor 23 des Steuergerätes 19, der über eine Ausga beeinheit 23a in Abhängigkeit von den ermittelten Größen Steuersignale S2 und S3 an verschiedene Komponenten der Brennkraftmaschine, beispielsweise Einspritzsignale abgibt.

Im Mikroprozessor 23 des Steuergerätes 19 erfolgt die ei gentliche Signalverarbeitung, anhand derer der Spritzbeginn oder die Verbrennungslage ermittelt wird. Dazu wird zunächst das druckproportionale elektrische Spannungssignal, bei spielsweise U1 mit dem Kurbelwinkel α synchronisiert. Danach liegen dem Mikroprozessor 23 kurbelwinkelbezogene Druckwerte P1 (α) vor, aus denen der Spritzbeginn errechnet wird und als Istgröße für die bekannte Spritzbeginnregelung, bei spielsweise bei einem Dieselmotor zur Verfügung steht. In gleicher weise werden auch die übrigen Signalspannungen U2, U3 oder U4 ausgewertet. In einer einfachen Version genügt es, nur in einem Zylinder einen Zylinderdrucksensor anzu bringen und dessen Ausgangssignale auszuwerten.

Neben den gemessenen Druckverläufen liegen dem Steuergerät in Speichern abgelegte berechnete oder auch von dem Brenn raumdrucksensor selbst gemessene Druckverläufe, zum Beispiel während des Schubbetriebs, vor. Die während des Schubbe triebs gemessenen Druckverläufe entsprechen polytropen Druckverläufen. Vorteilhaft ist dann die Berücksichtigung motor-/zylinderspezifischer Eigenschaften. Brennraumdruck verläufe vor. Diese Brennraumdruckverläufe sind insbesondere polytrope Brennraumdruckverläufe, also Brennraumdruckverläu fe, die anhand thermodynamischer Überlegungen zylinderspezi fisch berechnet werden, wobei die Berechnungen zum Beispiel einmal vor der ersten Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine durchgeführt werden können oder unter vorgebbaren Bedingun gen durch Neuberechnungen wieder aktualisiert werden können. Durch Vergleich der gemessenen Brennraumdruckverläufe mit den in Speichern des Steuergerätes 19 abgelegten polytropen Brennraumdruckverläufen ermittelt der Mikroprozessor die Differenzen zwischen einem aktuellen Brennraumdruckverlauf und einem abgelegten polytropen Brennraumdruckverlauf, wobei die Auswertung beispielsweise in einem vorgebbaren Kurbel wellenwinkelintervall von -180°KW bis 180°KW erfolgen soll. Die Differenzbildung kann dabei beispielsweise in einem fe sten Meßraster erfolgen, beispielsweise wird nach jedem Grad Kw eine Differenz gebildet oder es werden Differenzen in fe stem Zeitraster gebildet. Übersteigt eine so gebildete Dif ferenz einen vorgebbaren Schwellwert, wird davon ausgegan gen, daß die Energieumsetzung und damit die Verbrennung ge rade begonnen hat. Der dazugehörige Kurbelwellenwinkel, bei dem die Differenz erstmals den Schwellwert überschreitet, repräsentiert die Istlage des Spritzbeginns. Nach der Erken nung des Spritzbeginns kann die Signalerfassung auf Null zu rückgesetzt werden.

In einer Ausgestaltung der Erfindung werden die Differenzen zwischen dem gemessenen Brennraumdruckverlauf und einem ab gespeicherten polytropen Brennraumdruckverlauf über vorgeb bare Kurbelwellenwinkelbereiche aufintegriert. Die so erhal tenen Integralwerte werden mit einem weiteren Schwellwert verglichen, bei Erreichen des Schwellwertes wird dann auf Spritzbeginn erkannt. Mit einer solchen Ausgestaltung wird sichergestellt, daß elektrische oder mechanische Störungen der Signale nicht zu einer irrtümlichen Spritzbeginnerken nung führen. Dies wird auch mit einer weiteren Ausgestaltung sichergestellt, bei der die Differenzwerte zwischen dem ge messenen und dem berechneten Brennraumdruckverlauf so lange aufintegriert werden, bis der entstandene Integralwert einen vorgebbaren Schwellwert erreicht. Wird dieser Schwellwert erreicht, wird auch Spritzbeginn erkannt. Die so gewonnene Istlage des Spritzbeginns legt allerdings später als der wahre Spritzbeginn, da sich die Integration über einen ge wissen Kurbelwellenwinkel bzw. einen entsprechenden Zeitraum erstreckt. Bei einer Anwendung dieses Verfahrens muß daher ebenfalls die Sollage des Erreichens des Integralwertes er mittelt werden. Den Zusammenhang zwischen dem ermittelten Spritzbeginn aus der Differenz und aus dem Integral läßt sich der Fig. 2 entnehmen. Im ersten Fall liegt der ermit telte Spritzbeginn bei αSB. Das Integral I endet jedoch erst bei OT. Bei bekanntem Brennraumdruckverlauf läßt sich jedoch aus dem Kurbelwellenwinkel, bei dem das Integral den Schwellwert erreicht, auf den tatsächlichen Spritzbeginn zu rückrechnen.

In Fig. 2 ist im übrigen der Brennraumdruck über dem Kur belwellenwinkel α aufgetragen, wobei die obere Kurve A einen realen Brennraumdruckverlauf im gefeuerten Betrieb zeigt, während die untere Kurve B einen Brennraumdruckverlauf zeigt, der anhand theromodynamischer Überlegungen unter Be rücksichtigung der polytropen Beziehung berechnet wurde und im Steuergerät abgelegt ist.

Für die Regelung der Brennkraftmaschine, beispielsweise ei nes Dieselmotors kann der ermittelte Kurbelwellenwinkel für den Spritzbeginn αSB als Istwert dienen. Die Regelung auf den Sollwert erfolgt dann in üblicher weise unter Berück sichtigung des Istwertes. In einer Abwandlung dieser Regel strategie wird nicht mehr auf die Soll-Lage des Spritzbe ginns geregelt, sondern auf eine Lage der Verbrennung selbst. Letzt endlich beeinflußt nicht ein beschränkter Spritzbeginn die Schadstoffemissionen oder den Verbrauch des Motors, sondern die wahre Lage der Verbrennung. Es kann des halb anstelle des Spritzbeginns auch die Verbrennungslage ermittelt werden. Die Verbrennungslage wird dabei erhalten, indem alle Differenzwerte zwischen dem gemessenen Brennraum druckverlauf und dem polytropen berechneten und abgespei cherten Druckverlauf aufintegriert werden, wobei diese Inte gration in einem bestimmten Intervall oder über den gesamten Verbrennungszyklus zwischen -360° und +30°KW erfolgen kann. Aus diesem Integral kann der Verbrennungsschwerpunkt ermit telt werden, der beispielsweise bei 50% des Integralwertes liegt. Dieser Verbrennungsschwerpunkt kann dann bei einer Regelung als Istgröße einer Verbrennungslage genutzt werden. Die Stellgröße ist dabei wider der Einspritzzeit.

Die erläuterten Ausführungsbeispiele der Erfindung lassen sich allgemein bei Brennkraftmaschinen einsetzen, insbeson dere gilt dies für Dieselbrennkraftmaschinen, bei denen Kraftstoff direkt in den Zylinder eingespritzt wird, zum Beispiel für Brennkraftmaschinen mit Benzindirekteinsprit zung. Auch bei herkömmlichen Benzinmotoren, bei denen der Kraftstoff ins Saugrohr vor den jeweiligen Zylinder einge spritzt wird, läßt sich die Erfindung zur Auswertung des Verbrennungsablaufs anwenden. Beispielsweise kann dabei die Verbrennungslage ermittelt werden.

Claims

1. Vorrichtung und Verfahren zur Ermittlung des Spritzbeginns oder der Verbrennungslage bei einer Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Zylinderdrucksensor, der ein druckproportionales Ausgangssignal erzeugt und einem Kurbelwellenwinkelsensor, der ein für die Kurbelwellenstellung repräsentatives Signal abgibt und eine Auswerteeinrichtung, die das druckproportionale Ausgangssignal zum Kurbelwellenwinkel in Bezug setzt, dadurch gekennzeichnet, daß der gemessene Druckverlauf in einem vorgebbaren Kurbelwellenwinkelintervall mit wenigstens einem unter Berücksichtigung von thermodynamischen Zusammenhängen berechneten, in der Auswerteeinrichtung abgespeicherten Druckverlauf verglichen wird und aus dem Vergleichsergebnis der Spritzbeginn oder die Verbrennungslage erkannt wird, wenn das Vergleichsergebnis einen vorgebbaren Schwellwert erreicht.

2. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Zylinder der Brennkraftmaschine ein Zylinderdrucksensor angeordnet ist und die Ausgangssignale über einen Multiplexer 21 dem Mikroprozessor 23 der Auswerteeinrichtung zugeführt werden, wobei die Auswerteeinrichtung das Steuergerät 19 der Brennkraftmaschine ist.

3. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine ein Dieselmotor ist, bei dem Kraftstoff direkt in den Zylinder eingespritzt wird.

4. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der berechnete und abgespeicherte Druckverlauf unter Berücksichtigung einer polytropen Zustandsänderung ermittelt wird.

5. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz zwischen dem gemessenen Druckverlauf und dem berechneten Druckverlauf über einen vorgebbaren Bereich aufsummiert oder aufintegriert wird und die Summe oder das Integral mit einem vorgebbaren Schwellwert verglichen wird und bei Erreichen des Schwellwertes auf Spritzbeginn erkannt wird.

6. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz zwischen dem gemessenen Brennraumdruckverlauf und dem berechneten Brennraumdruckverlauf solange aufintegriert wird, bis das Integral einen vorgebbaren Schwellwert erreicht und bei Erreichen des Schwellwertes Aufspritzbeginn erkannt wird.

7. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der ermittelte Spritzbeginn und/oder die ermittelte Verbrennungslage bei der Regelung der Brennkraftmaschine berücksichtigt wird und jeweils als Ist-Wert für die Regelung dient.

8. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf eine Lage der Verbrennung geregelt wird, wobei als Istgröße der Verbrennungsschwerpunkt verwendet wird und als Stellgröße der Einspritzzeitpunkt.

9. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungslage ermittelt wird durch Aufintegrieren aller Differenzen in einem vorgebbaren Kurbelwellenwinkelintervall und als Verbrennungsschwerpunkt die Lage von 50% des Integralwertes gewählt wird.

10. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach erkanntem Spritzbeginn die Signalerfassung auf Null zurückgestellt wird.