DE3912416A1 - Steuervorrichtung fuer eine verbrennungsmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Steuervorrichtung steuert die Verbrennung der Maschine auf der Grundlage gewisser Antriebssteuerparameter, wie des Zündzeitpunktes und des Luft/Brennstoff- Verhältnisses, um die Werte und Schwankungs­ bereiche dieser Verbrennungsparameter hin­ sichtlich des Antriebsverhaltens zu optimieren, zum Beispiel den maximalen Verbrennungsdruck P _max , den Kurbelwinkel R P _max bei Erreichen des maximalen Verbrennungsdrucks P _max , die maximale Anstiegsgeschwindigkeit dP/d R _max des Verbrennungsdruckes und den angezeigten mittleren Arbeitsdruck Pi. Diese Verbrennungs­ parameter werden durch die Steuervorrichtung auf der Basis des von einem Drucksensor er­ faßten Druckprofils in den Zylindern der Maschine bestimmt.

Eine Steuervorrichtung dieses Typs muß daher das Druckprofil genau erfassen, auf dem die Verbrennungssteuerung beruht.

Da jedoch der Drucksensor direkt an der Maschine befestigt ist, ist er beträchtlichen Temperaturänderungen ausgesetzt, was zu einer deutlichen Verschlechterung mit zunehmendem Alter führt. Angesichts dieses Umstandes und auch der anfänglichen Instabilität ist die Erfassung des vom Sensor erhaltenen Druckprofils in der Praxis sehr ungenau.

Als Ergebnis der geringen Genauigkeit der Verwertung des Druckprofils begegnet eine bekannte Steuervorrichtung für eine Verbrennungs­ maschine erheblichen Schwierigkeiten bei der jederzeitigen Durchführung einer optimalen Verbrennungssteuerung für eine Maschine. Darüber hinaus neigt die bekannte Steuer­ vorrichtung dazu, in ungeeigneter Weise die Antriebssteuerparameter in einem Versuch, die Steuerung auf der Basis des erfaßten Druckprofils durchzuführen, selbst dann zu steuern, wenn keine Verbrennung stattfindet, zum Beispiel beim Anlassen oder einer Brennstoff­ unterbrechung.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Steuervorrichtung für eine Verbrennungsmaschine zu schaffen, die eine optimale Steuerung der Verbrennung auf der Basis des durch einen Drucksensor erfaßten Druckprofils in den Maschinenzylindern durchführt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale. Vorteil­ hafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die erfindungsgemäße Steuervorrichtung für eine Verbrennungsmaschine mit einer Druckmeß­ einrichtung zur Erfassung des Drucks in den Zylindern der Maschine zeichnet sich aus durch eine Abgleichvorrichtung enthaltend eine Vorrichtung zur Erneuerung des Moduls und des Offset-Zustands der Druckmeßeinrichtung auf einer geeigneten Basis, eine Vorrichtung zum Abgleich des Ausgleichssignals der Druck­ meßeinrichtung auf der Grundlage des jeweils erneuerten Moduls und Offset-Zustands der Druckmeßeinrichtung zur Wiedergabe des tat­ sächlichen Druckprofils in den Zylindern und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Verbrennungsparameter der Maschine auf der Grundlage des abgeglichenen Druckprofils; sowie durch eine Steuervorrichtung enthaltend eine Vorrichtung zur Bestimmung der Antriebs­ steuerparameter der Maschine auf der Grund­ lage der Verbrennungsparameter und eine Vorrichtung zur Steuerung der Verbrennung der Maschine normalerweise auf der Grundlage der Antriebssteuerparameter, jedoch bei vorbestimmten Betriebszuständen der Maschine auf der Grundlage vorbestimmter Parameter.

In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein piezoelektrisches Element als Drucksensor verwendet. Ein piezoelektrisches Element hat einen besonderen piezoelektrischen Modul und einen besonderen Offset-Zustand, deren Einfluß in dem Ausgangssignal des Elements eliminiert werden muß, um den tatsächlichen Druck wiederzugeben. Da jedoch sowohl der Modul als auch der Offset-Zustand sekulare Änderungen machen und in Abhängigkeit von Temperaturänderungen des Elements schwanken, ist es erforderlich zu wissen, wie sie zum Zeitpunkt des Erfassens sind, um den tat­ sächlichen Druck zu bestimmen, d.h. sie müssen auf einer geeigneten Basis erneuert werden.

Es ist weiterhin vorteilhaft ein Ansaugdruck­ sensor zur Erfassung des Ansaugdruckes der Maschine vorgesehen, wobei die Vorrichtung zur Erneuerung des Moduls und des Offset- Zustands der Druckmeßeinrichtung den Offset- Zustand durch Vergleich des von der Druck­ meßeinrichtung zu jeder Zeit während des Ansaugtaktes gemessenen Drucks in den Zylindern mit dem vom Ansaugdrucksensor gemessenen Ansaugdruck bestimmt.

Weiterhin ist vorzugsweise ein Kurbelwinkelsensor zur Erfassung des Kurbelwinkels der Maschine vorgesehen. Die Vorrichtung zur Erneuerung des Moduls und des Offset-Zustands der Druckmeßeinrichtung bestimmt den Modul durch Vergleich des von der Druckmeßeinrichtung in dem Zeitpunkt, in dem die Kurbelwelle sich im vom Kurbelwinkelsensor erfaßten oberen Totpunkt befindet, gemessenen Drucks im Zylinder mit dem Produkt aus dem Kompressions­ verhältnis der Maschine und dem vom Ansaug­ drucksensor gemessenen Ansaugdruck.

Die besondere Temperaturcharakteristik eines piezoelektrischen Elements ist bei der Be­ stimmung des Moduls zu berücksichtigen. Es ist daher zweckmäßig weiterhin ein Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur der Druckmeßeinrichtung vorgesehen, wobei die Vorrichtung zur Erneuerung des Moduls und des Offset-Zustands der Druckmeßeinrichtung den Modul genauer bestimmt durch Multiplika­ tion des berechneten Produkts mit der Temperaturcharakteristik der Druckmeßeinrichtung und jeder durch den Temperatursensor festge­ stellten Temperaturänderung der Druckmeßein­ richtung.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungs­ beispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Steuervorrichtung,

Fig. 2 einen Teilschnitt mit einem an einem Zylinder befestigten Sensor, und

Fig. 3 ein Diagramm des Druckprofils in einem Zylinder.

Eine Verbrennungsmaschine 1 mit vier Zylindern ist gemäß Fig. 1 mit jeweils einem Druck­ sensor 2 für jeden Zylinder ausgestattet.

Eine Schnittstellenschaltung 3 dient zur Umwandlung der von den Drucksensoren 2 empfangenen Signale in Spannungssignale.

Ein Ansaugdrucksensor 4 erfaßt den Ansaug­ druck der Maschine. Ein Temperatursensor 5 ist an der gleichen Stelle oder so nahe wie möglich an den Drucksensoren 2 angeordnet. Ein Kurbelwinkelsensor 6 dient zur Erfassung des Kurbelwinkels der Maschine. Ein Analog- Digital-Wandler 7 wandelt die Spannungs­ signale von der Schnittstellenschaltung 3, dem Ansaugdrucksensor 4 und dem Temperatur­ sensor um in digitale Signale.

Eine Operationseinheit 8 bestimmt die Ver­ brennungsparameter aus dem Druckprofil in den Zylindern auf der Basis der Signale aus dem A/D-Wandler 7 und dem Kurbelwinkel­ sensor 6.

Eine Maschinensteuereinheit 9 berechnet die Antriebssteuerparameter, wie den Zündzeit­ punkt und das Luft/Brennstoff-Verhältnis, auf der Grundlage von Ausgangssignalen eines Luftdurchflußsensors 10 zur Erfassung des Ansaugluftstroms, des Kurbelwinkelsensors 6, des Ansaugdrucksensors 4 und der Operations­ einheit 8, und diese Parameter werden dann als ein Zündsignal und ein Brennstoffeinspritz­ signal zugeführt.

Ein Zünder 11 und eine Brennstoffeinspritz­ vorrichtung 12 empfangen das Zündsignal und das Brennstoffeinspritzsignal von der Maschinensteuereinheit 9 und werden ent­ sprechend betätigt, um die Maschinenzündung und die Brennstoffeinspritzung durchzuführen.

Der Drucksensor 2 kann ein piezoelektrischer Sensor beispielsweise in Form eines Ringes sein, der, wie in Fig. 2 gezeigt ist, zwischen dem Zünder 102 und dem Zylinderkopf 101 an der Stelle, wo sich eine obere Wand des Maschinenzylinders befindet, angeordnet ist. Der Drucksensor 2 vom piezoelektrischen Typ liefert eine elektrische Ladung in einer der Größe des Drucks im Zylinder proportionalen Menge. Die Schnittstellenschaltung 3 ist daher geeignet, elektrische Ladungen in Spannungssignale umzuwandeln, wenn sie in Verbindung mit dem Drucksensor 2 vom piezo­ elektrischen Typ verwendet wird.

Fig. 3 zeigt ein Druckprofil in einem Satz von Zylindern, um die Funktion der Steuer­ vorrichtung zu erläutern. Das Druckprofil in einem Satz von Zylindern sollte unter Berücksichtigung des Moduls und des Offset- Zustands der Drucksensoren 2 bestimmt werden. Wie zuvor erwähnt wurde, sind aus den ge­ nannten Gründen der Modul und der Offset- Zustand instabil und sollten erneuert werden, um das tatsächliche Druckprofil in den Zylindern wiederzugeben. Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Verfügung, durch das der Modul und der Offset-Zustand erneuert werden, wie im folgenden beschrieben wird.

Während des Ansaugtaktes gemäß Fig. 3 sind die Einlaßventile geöffnet und der Druck in den Zylindern ist gleich dem in der Ansaug­ leitung. Der Offset-Zustand der Sensoren 2 wird daher durch Vergleich des vom Druck­ sensor 2 erfaßten Drucks mit dem vom Ansaug­ drucksensor 4 erfaßten Druck PI zu jeder Zeit während des Ansaugtaktes erhalten, zum Beispiel in dem Zeitpunkt, in dem die Kurbelwelle sich im unteren Totpunkt (BDC) während des Ansaug­ taktes befindet, der vom Kurbelwinkelsensor 6 festgestellt wird. Diese Erneuerung des Offset- Zustands des Drucksensors 2 kann während des Betriebs der Maschine 1 erfolgen.

Das Verfahren zur Erneuerung des Moduls des Drucksensors 2 wird nachfolgend beschrieben.

Für den Fall, daß keine Verbrennung in den Zylindern stattfindet aufgrund eines Mangels an Druck folgend auf die vorhergehende Ver­ brennung, folgt das Druckprofil in den Zylindern der gestrichelten Linie in Fig. 3, bei der der Druck in den Zylindern den Maximalwert PT im Zeitpunkt des oberen Tot­ punkts (TDC) erreicht. Der Maximaldruck PT in dem Fall, daß keine Verbrennung stattfindet, wird als Produkt aus dem Druck in den Zylindern während des Ansaugtaktes, d.h. dem Ansaugdruck PI, und dem Kompressionsverhältnis ε der Maschine, das zuvor bestimmt wurde (PT = ε × PI) , angesehen.

Die Maschinensteuereinheit 9 erfaßt den Zustand der fehlenden Verbrennung, wie zur Zeit des Anlassens der Maschine 1 beim Starten oder bei einer Brennstoffunter­ brechung während einer Abbremsung. Während der Zeit, in der keine Verbrennung statt­ findet, wird der Modul der Drucksensoren 2 auf der Grundlage der vorstehenden Berechnung erneuert, die zur Zeit des vom Kurbelwinkel­ sensor 6 festgestellten oberen Totpunktes gemacht wurde.

Der Drucksensor 2 hat eine Temperaturcharakte­ ristik, die seine Fähigkeit zur genauen Erfassung des Druckes beeinträchtigen könnte, wenn die Temperatur des Drucksensors 2 sich infolge von Änderungen des Zustands der angetriebenen Maschine 1 ändert. Um diesem Einfluß der Temperaturcharakteristik auf das Ergebnis der Druckerfassung durch den Drucksensor 2 zu eliminieren, nimmt die Operationseinheit 8 eine Modifikation des Ergebnisses der obigen Berechnung (PT = ε × PI) vor durch Verwendung des Produkts aus dem Ergebnis der Berechnung, der Temperatur­ charakteristik (k) des Drucksensors 2, die vorher bekannt ist, und einer vom Temperatur­ sensor 5, der so nahe wie möglich am Druck­ sensor 2 angeordnet ist, erfaßten Temperatur­ änderung (Δ t) (PT = k × Δ t × ε PI).

Durch die Erneuerung des Moduls und des Offset-Zustands des Drucksensors 2 auf einer geeigneten Basis kann eine genaue Messung des Drucks in den Zylindern während der Zeit, in der eine Verbrennung im Zylinder stattfindet, erreicht werden.

Ein Zustand ohne Verbrennung tritt bei­ spielsweise auf während des Anlassens beim Starten der Maschine 1, während der Brennstoffunterbrechung beim Abbremsen oder während einer Brennstoff- oder Zündunter­ brechung zum Zwecke der Vermeidung einer Überdrehzahl. Die Bestimmung der geeigneten Antriebssteuerparameter könnte aufgrund der auf der Basis des gemessenen Drucks in den Zylindern bestimmten Verbrennungsparameter versagen. Derartig ungenügende Antriebssteuer­ parameter könnten dazu führen, daß der ge­ eignete Bereich für die Steuerung der Antriebs­ steuerparameter verlassen wird und hierdurch ein vorübergehendes Versagen der Steuerung der Maschine 1 nach Wiederherstellung der Verbrennung auftritt.

Die Maschinensteuereinheit 9 unterbricht die Steuerung auf der Grundlage der gemäß den von der Operationseinheit 8 geliefertern Verbrennungsparametern bestimmten Antriebs­ steuerparameter, wenn keine Verbrennung stattfindet. Stattdessen führt die Maschinen­ steuereinheit 9 während dieser Zeit die Steuerung der Maschine 1 auf der Grundlage der vorbestimmten Parameter durch.

Wie erläutert wurde, kann eine optimale Steuerung auf der Grundlage des erfaßten Druckes in den Zylindern dadurch erzielt werden, daß die Steuervorrichtung so ausgebildet ist, daß der Modul und der Offset-Zustand des Drucksensors auf einer geeigneten Basis erneuert werden, und daß die Steuerung auf der Basis der aufgrund der Verbrennungs­ parameter bestimmten Antriebssteuer­ parameter unterbrochen und stattdessen anschließend auf der Basis der vorbestimmten Parameter durchgeführt wird.

Claims (5)

1. Steuervorrichtung für eine Verbrennungs­ maschine mit einer Druckmeßeinrichtung zur Erfassung des Druckes in den Zylindern der Maschine, gekennzeichnet durch eine Abgleichvorrichtung enthaltend eine Vorrichtung zur Erneuerung des Moduls und des Offset-Zustandes der Druckmeßeinrichtung (2) auf einer ge­ eigneten Basis, eine Vorrichtung zum Abgleich des Ausgangssignals der Druck­ meßeinrichtung (2) auf der Grundlage des jeweils erneuerten Moduls und Offset- Zustandes der Druckmeßeinrichtung (2) zur Wiedergabe des tatsächlichen Druckprofils in den Zylindern und eine Vorrichtung (8) zur Bestimmung der Verbrennungsparameter der Maschine (1) auf der Grundlage des abgeglichenen Druckprofils; sowie durch eine Steuer­ vorrichtung (9) enthaltend eine Vorrichtung zur Bestimmung der Antriebssteuer­ parameter der Maschine (1) auf der Grundlage der Verbrennungsparameter und eine Vorrichtung zur Steuerung der Verbrennung der Maschine (1) normaler­ weise auf der Grundlage der Antriebs­ steuerparameter, jedoch bei vorbestimmten Betriebszuständen der Maschine (1) auf der Grundlage vorbestimmter Parameter.

2. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin ein Ansaugdrucksensor (4) zur Erfassung des Ansaugdruckes der Maschine (1) vorge­ sehen ist, und daß die Vorrichtung zur Erneuerung des Moduls und des Offset- Zustandes der Druckmeßeinrichtung (2) den Offset-Zustand durch Vergleich des von der Druckmeßeinrichtung (2) zu jeder Zeit während des Ansaugtaktes gemessenen Druckes in den Zylindern mit dem vom Ansaugdrucksensor (4) gemessenen Ansaug­ druck bestimmt.

3. Steuervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin ein Kurbelwinkelsensor (6) zur Erfassung eines Kurbelwinkels der Maschine (1) vorgesehen ist, und daß die Vorrichtung zur Erneuerung des Moduls und des Offset- Zustands der Druckmeßeinrichtung (2) den Modul durch Vergleich des von der Druckmeßeinrichtung (2) in dem Zeitpunkt, in dem die Kurbelwelle sich im vom Kurbelwinkelsensor (6) erfaßten oberen Totpunkt befindet, gemessenen Druckes im Zylinder mit dem Produkt aus dem Kompressionsverhältnis der Maschine (1) und dem vom Ansaugdrucksensor (4) gemessenen Ansaugdruck bestimmt.

4. Steuervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin ein Temperatursensor (5) zur Erfassung der Temperatur der Druckmeßeinrichtung (2) vorgesehen ist, und daß die Vorrichtung zur Erneuerung des Moduls und des Offset- Zustands der Druckmeßeinrichtung (2) den Modul näher bestimmt durch Multi­ plikation des berechneten Produkts mit der Temperaturcharakteristik der Druckmeß­ einrichtung (2) und jeder durch den Temperatursensor (5) festgestellten Temperaturänderung der Druckmeßeinrichtung (2).

5. Verfahren zur Steuerung der Verbrennung einer Verbrennungsmaschine, gekennzeichnet durch die Schritte:
Erfassen des Drucks in den Zylindern der Maschine;
Erneuern des Moduls und des Offset-Zustands der Druckmeßeinrichtung auf einer ge­ eigneten Grundlage;
Abgleichen des Ausgangssignals der Druck­ meßeinrichtung auf der Grundlage des jeweils erneuerten Moduls und Offset- Zustands der Druckmeßeinrichtung zur Wiedergabe des tatsächlichen Druckprofils in den Zylindern;
Bestimmen der Verbrennungsparameter der Maschine auf der Grundlage des abgeglichenen Druckprofils;
Bestimmen der Antriebssteuerparameter der Maschine auf der Grundlage der Verbrennungs­ parameter; und
Steuern der Verbrennung normalerweise auf der Grundlage der Antriebssteuer­ parameter, jedoch bei vorbestimmten Betriebszuständen der Maschine auf der Grundlage vorbestimmter Parameter.