DE3917905A1

DE3917905A1 - Verfahren zum optimieren des betriebs einer fremdgezuendeten kolbenbrennkraftmaschine, insbesondere eines otto-motors

Info

Publication number: DE3917905A1
Application number: DE3917905A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Dipl Ing Ellmann; Manfried Dr Ing Wier
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1989-06-01
Filing date: 1989-06-01
Publication date: 1990-12-06

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Optimieren des Betriebs einer fremdgezündeten Brennkraft maschine, insbesondere eines Otto-Motors.

Zum Senken des Kraftstoffverbrauchs und zum Erhöhen des Motor drehmoments werden bei einer Kolbenbrennkraftmaschine hohe Verdichtungsverhältnisse angestrebt. Mit zunehmenden Ver dichtungsverhältnissen besteht die Gefahr der explosionsartigen, klopfenden Verbrennung des Luft/Kraftstoff-Gemisches, die eine erhöhte thermische und mechanische Belastung der Bauteile des Motors mit sich bringt. Somit ist eine Klopfgrenze gegeben, die außer von dem Verdichtungsverhältnis noch zusätzlich u. a. von Alterungseffekten (Ablagerungen), der Brennraumform, der Gemischzusammensetzung, der Kraftstoffqualität und der Motor temperatur abhängig ist. Zur Erzielung eines günstigen effektiven Wirkungsgrads besteht jedoch der Wunsch, den Motor möglichst nahe an dieser Klopfgrenze zu betreiben.

Eine klopfende Verbrennung regt die Bauteile des Motors zu Schwingungen mit charakteristischen Frequenzen an. Diese Schwingungen können mit einem am Motorblock befestigten Klopf sensor detektiert werden. Die Tatsache, daß andere Schallquellen (z.B. Ventile) gleichzeitig ähnliche Frequenzen erzeugen, wie sie der Klopfvorgang hervorruft, führt jedoch zu Schwierig keiten bei der Auswertung.

Die Zylinderfüllung beeinflußt entscheidend die Leistung, den optimalen Wirkungsgrad und die Abgaszusammensetzung. Um unter den jeweils geltenden Randbedingungen die vorzugebenden Ziel größen optimal zu verwirklichen, muß phasengleich zum Arbeits zyklus die Füllung des Zylinders bekannt sein.

Bisher wurde die Zylinderfüllung aus einer globalen Gesamt volumen-/-massenmessung und zusätzlichen Korrekturfunktionen zur Bestimmung z.B. der Strömungsverluste eingestellt. Messung und Korrekturfunktionen werden nach dem Stand der Technik auf dem Motorprüfstand und in Fahrversuchen durchge führt bzw. ermittelt und in Form eines Kennfeldes abgelegt.

Der Zündzeitpunkt beeinflußt entscheidend die Motorleistung und den Kraftstoffverbrauch. Mit zunehmender Motordrehzahl und ansteigendem Luft/Kraftstoff-Verhältnis muß der Zündzeitpunkt in geeignetem Maße in Richtung "früh" verstellt werden. Zu sätzlich wirken Parameter, wie Motorlast und Temperatur, auf den optimalen Zündwinkel. Bisher wurde auf dem Motorprüfstand für einen jeweiligen Motortyp ein Kennfeld durch Versuche er mittelt und anschließend im Fahrzeug nach den vorgegebenen Kriterien Verbrauch, Abgas und Fahrverhalten optimiert. Die so ermittelte Zündcharakteristik wurde elektronisch gespeichert, so daß während der Betriebszeit des Motors keine Veränderung mehr auftreten konnte.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mittels dessen der Betrieb einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine, insbe sondere eines Otto-Motors, durch Erfassung, Auswertung und Einstellung der wesentlichen Betriebsparameter unter Ver meidung der vorstehend erläuterten Nachteile optimiert werden kann.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Optimieren des Betriebs einer fremdgezündeten Kolbenbrennkraftmaschine, ins besondere eines Otto-Motors, gelöst, das erfindungsgemäß ge kennzeichnet ist durch

a) Schritte zur Erfassung und Auswertung eines Klopfsignals zum Betrieb der Kolbenbrennkraftmaschine dicht unterhalb der Klopfgrenze,
b) Schritte zur Bestimmung der Luftfüllung des Arbeits volumens der Kolbenbrennkraftmaschine und
c) Schritte zur Einstellung des Zündwinkels der Kolbenbrenn kraftmaschine.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale gekennzeichnet.

Im folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand mehrerer Figuren, die bevorzugte Ausführungsbeispiele betreffen, im einzelnen beschrieben.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild mit mehreren Funktionsbau steinen zur Durchführung des "Spitzendruck"-Erfassungs- und Auswerteverfahrens.

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild ähnlich dem gemäß Fig. 1, je doch bestimmt für das "Leistungs"-Erfassungs- und Aus werteverfahren.

Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild mit mehreren Funktionensbau steinen zur Durchführung des kombinierten Verfahrens.

Fig. 4 zeigt ein Oszillogramm typischer Signale für das "Klopfen" und für durch mechanisch bewegte Motorteile erzeugte Störschallwellen.

Fig. 5 zeigt ein Flußdiagramm, aus dem die Schritte des er findungsgemäßen kombinierten Verfahrens hervorgehen.

Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung des Saugrohr-Ar beitsvolumens-Auslaßrohr-Trakts eines herkömmlichen fremdgezündeten, ventilgesteuerten Hubkolben-Ver brennungsmotors im Schnitt, wobei in einer Wandung des Verbrennungsraums ein für die Durchführung des erfindungs gemäßen Verfahrens erforderlicher Drucksensor ange ordnet ist.

Fig. 7 zeigt ein Blockschaltbild mit mehreren Funktionsblöcken zum Bestimmen der Luftfüllung des Arbeitsvolumens und zum Bestimmen der Kraftstoffeinleitmasse.

Fig. 8 zeigt ein typisches Diagramm eines Augenblicksbeispiels für den Drosselklappen-Öffnungswinkel aufgetragen über dem Kurbelwinkel des Motors mit einer Vielzahl von Ab tastzeitpunkten.

Fig. 9 zeigt ein Flußdiagramm, aus dem die einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens hervorgehen.

Fig. 10 zeigt eine schematische Darstellung eines Zylinder kopfes mit einem in dem Arbeitsvolumen wirksamen Drucksensor.

Fig. 11 zeigt ein Blockschaltbild für eine Schaltungsanordnung zur Einstellung des Zündwinkels.

Fig. 12 zeigt ein Flußdiagramm der einzelnen Verfahrensschritte eines sog. Strategie-Reglers.

Fig. 13 zeigt ein Flußdiagramm der einzelnen Verfahrensschritte in einem sog. adaptiven Regler.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird anstelle eines Klopf sensors am Motorblock ein Drucksensor im Verbrennungsraum ver wendet, der eine vollständige Information über den Druckver lauf im Verbrennungsraum liefert. Um den Klopfanteil vom niederfrequenten Nutzdruckanteil zu trennen, wird ein Hochpaß filter verwendet. Um ein mögliches "Einblenden" anderer mit dem Motor verbundener Schwingungserreger (Ventile, benachbarte Kolben usw.) zu unterbinden, wird das Klopfsignal nur inner halb eines Kurbelwinkelfensters zur Auswertung zugelassen, in dem es erwartet wird. Das so aufbereitete Signal wird erfindungs gemäß nach einem von zwei Kriterien oder nach beiden dieser Kriterien ausgewertet.

Spitzendruck-Auswertung

Das charakteristische Klopfsignal, ein oszillierendes Wechsel druck-Signal, wird gleichgerichtet, und der Spitzenwert des Klopfdrucks je Motorzyklus wird gespeichert. Innerhalb eines Beobachtungszeitraums, der mehrere Motorzyklen einschließt, wird der Mittelwert und die Streuung der Spitzen-Klopfdrücke ermittelt. Es stehen demnach der Spitzendruck und dessen Mittelwert und Streuung als Beschreibungsgrößen des Klopfvor gangs zur Verfügung. Mit Hilfe dieser Größen kann auf die thermische und mechanische Belastung der Motorteile ge schlossen und eine entsprechende Korrektur des Motor-Betriebs punkts durchgeführt werden.

Leistungs-Auswertung

Eine genauere Information über den Klopfvorgang ist in der Leistung des Klopfsignals enthalten. Zur Klopfleistungs-Be rechnung werden der effektive Klopfdruck, der überstrichene Kurbelwinkel und der Zeitraum, über den hinweg der Klopfvor gang auftritt, herangezogen. Mit Hilfe eines Schwellwertent scheiders wird innerhalb des Kurbelwinkelfensters, wenn die entsprechende Klopfamplitude erreicht ist, der Effektivwert des Klopf-Druckverlaufs gebildet. Anschließend wird die Klopf leistung berechnet und gespeichert. Ebenso wie bei der Spitzen druck-Auswertung wird der Mittelwert und die Streuung be rechnet, und es werden die Beschreibungsgrößen "Klopfleistung" und "deren Mittelwert" und Streuung einem Motor-Management system übergeben, in dem wie in dem zuvor erläuterten er finderischen Verfahren eine entsprechende Korrektur des Motor- Betriebspunkts durchgeführt wird.

Kombinierte Spitzendruck/Leistungs-Auswertung

Eine dritte, komfortable erfinderische Lösung der genannten Aufgabe sieht ein kombiniertes Verfahren mit den Komponenten "Spitzendruck-Auswertung" und "Leistungs-Auswertung", wie sie zuvor erläutert sind, vor.

Wie bereits erläutert, zeigt Fig. 1 ein Blockschaltbild mit mehreren Funktionsbausteinen zur Durchführung des "Spitzen druck"-Erfassungs- und Auswerteverfahrens. Einem Signaleingang A der in Fig. 1 gezeigten Anordnung wird ein von einem in einem Brennraum des betreffenden Otto-Motors angeordneten Drucksensor ein den jeweils erfaßten Druck repräsentierendes elektrisches Signal zugeführt, das in einer einen Eingangs verstärker, ein Hochpaßfilter und eine Fensterschaltung um fassenden Eingangsschaltungsanordnung B verstärkt, hoch paßgefiltert und mittels der Fensterschaltung in einem begrenzten Bewertungszeitraum an eine Spitzenwert-Erfassungs schaltung C und eine Zeit-Erfassungsschaltung E ausgegeben wird. Die Ausgangssignale der Spitzenwert-Erfassungsschaltung C und der Zeit-Erfassungsschaltung E werden an Eingänge einer Auswerteschaltung H gelegt, die ein Auswerte-Ergebnissignal an eine Motormanagement-Verarbeitungseinheit M abgibt. Diese Motormanagement-Verarbeitungseinheit M, die vorzugsweise mit einem Mikroprozessor zur Verarbeitung der ihr eingegebenen Signale versehen ist, gibt Ergebnissignale aus, die dazu be nutzt werden, den Motor-Betriebspunkt entsprechend dem ge wonnenen Ergebnissignal zu korrigieren. In die Motormanage ment-Verarbeitungseinheit M sind Hersteller-Daten fest einge schrieben, beispielsweise in ein ROM. Außerdem gibt die Motormanagement-Verarbeitungseinheit M bestimmte statistische Daten in die Auswerteeinrichtung H ein.

Im einzelnen sieht das mittels der in Fig. 1 gezeigten Schaltungsanordnung durchzuführende Klopfsignal-Erfassungs- und Auswerteverfahren zum Betreiben eines Otto-Motors dicht unterhalb der Klopfgrenze vor, daß ein von einem in einem Ver brennungsraum des Otto-Motors angeordneten Drucksensor ge liefertes, ein Klopfsignal repräsentierendes Ausgangssignal, das die vollständige Information über den im Verbrennungsraum beobachtbaren Druckverlauf enthält, zum Trennen des Klopfvor gang betreffenden hochfrequenten Anteils des Ausgangssignals von dem niederfrequenten Nutzdruckanteil in der Schaltungsan ordnung B hochpaßgefiltert wird. Um eine mögliche Modulation des Ausgangssignals mit Drucksignalen, die durch in dem Motor vorhandenen Schwingungserreger, wie Ventile, benachbarte Kolben usw., erzeugt werden, zu unterbinden, wird das Klopf signal nur innerhalb eines vorgegebenen Kurbelwinkelfensters, in dem das Klopfsignal zu erwarten ist, ausgewertet, was in der Fensterschaltung innerhalb der Schaltungsanordnung B be wirkt wird. Das derart aufbereitete Signal wird anschließend in der Spitzenwert-Erfassungsschaltung C einer Spitzendruck- Auswertung unterzogen, in der es gleichgerichtet wird, der Spitzenwert des Klopfdrucks je Motorzyklus gespeichert wird und innerhalb eines vorgegebenen Beobachtungszeitraums, der zumindest zwei Motorzyklen umfaßt, der Mittelwert der be treffenden Spitzklopfdrücke ermittelt wird. Aus dem Spitzen druck, dem Mittelwert und der Streuung, welche Werte eine Be schreibung des Klopfvorgangs ermöglichen, wird auf die thermische und mechanische Belastung der betreffenden Motor teile geschlossen, und es wird mittels der Motormanagement- Verarbeitungseinheit M eine entsprechende Korrektur des Motor- Betriebspunkts durchgeführt.

Die in Fig. 2 gezeigte Schaltungsanordnung entspricht im wesentlichen derjenigen, die in Fig. 1 gezeigt ist, jedoch mit der Ausnahme, daß statt der Spitzenwert-Erfassungsschaltung C gemäß Fig. 1 eine Klopfleistungs-Erfassungsschaltung D vorgesehen ist. Im einzelnen sieht das mittels der in Fig. 2 gezeigten Schaltungsanordnung durchzuführende Klopfsignal-Er fassungs- und Auswerteverfahren zum Betreiben eines Otto- Motors dicht unterhalb der Klopfgrenze vor, daß ein von einem in einem Verbrennungsraum des Otto-Motors angeordneten Drucksensor geliefertes, ein Klopfsignal repräsentierendes Ausgangssignal, das die vollständige Information über den im Verbrennungsraum beobachtbaren Druckverlauf enthält, zum Trennen des den Klopfvorgang betreffenden hochfrequenten An teils des Ausgangssignals von dem niederfrequenten Nutzdruck anteil hochpaßgefiltert wird. Um eine mögliche Modulation des Ausgangssignals mit Drucksignalen, die durch in dem Motor vor handene Schwingungserreger, wie Ventile, benachbarte Kolben usw., erzeugt werden, zu unterbinden, wird das Klopfsignal nur innerhalb eines vorgegebenen Kurbelwinkelfensters, in dem das Klopfsignal zu erwarten ist, ausgewertet, was in der Fenster schaltung innerhalb der Schaltungsanordnung B bewirkt wird. Das derart aufbereitete Signal wird einer Leistungs-Auswertung unterzogen, wozu der effektive Klopfdruck, der überstrichene Kurbelwinkel und der Zeitraum, in dem ein Klopfen auftritt, zu einer Klopfleistungs-Berechnung herangezogen werden, wobei mittels einer Schwellwertentscheidung innerhalb des Kurbel winkelfensters, wenn die entsprechende Klopfsignalamplitude erreicht ist, der Effektivwert des den Klopfdruckverlauf repräsentierenden Signals gebildet wird und daran anschließend die Klopfleistung berechnet und gespeichert wird. Anschließend daran wird der Mittelwert der betreffenden Klopfleistung er mittelt. Aus der Spitzen-Klopfleistung, dem Mittelwert und der Streuung, welche Werte eine Beschreibung des Klopfvorgangs ermöglichen, wird auf die thermische und mechanische Belastung der betreffenden Motorteile geschlossen und eine entsprechende Korrektur des Motor-Betriebspunkts durchgeführt.

Fig. 3 zeigt, wie bereits erläutert, ein Blockschaltbild mit mehreren Funktionsbausteinen zur Durchführung eines kombinier ten Verfahrens, bei dem vorgesehen ist, daß ein von einem in einem Verbrennungsraum des Otto-Motors angeordneten Druck sensor geliefertes, ein Klopfsignal repräsentierendes Aus gangssignal, das die vollständige Information über den im Ver brennungsraum beobachtbaren Druckverlauf enthält, zum Trennen des den Klopfvorgang betreffenden hochfrequenten Anteils des Ausgangssignals von dem niederfrequenten Nutzdruckanteil hoch paßgefiltert wird. Um eine mögliche Modulation des Ausgangs signals mit Drucksignalen, die durch in dem Motor vorhandene Schwingungserreger, wie Ventile, benachbarte Kolben usw., er zeugt werden, zu unterbinden, wird das Klopfsignal nur inner halb eines vorgegebenen Kurbelwinkelfensters, in dem das Klopf signal zu erwarten ist, ausgewertet. Das derart aufbereitete Signal wird einer Spitzendruck-Auswertung C unterzogen, indem es gleichgerichtet wird, der Spitzenwert des Klopfdrucks je Motorzyklus gespeichert wird und innerhalb eines vorgegebenen Beobachtungszeitraums, der zumindest zwei Motorzyklen umfaßt, der Mittelwert der betreffenden Spitzenklopfdrücke ermittelt wird. Aus dem Spitzendruck und dem Mittelwert, welche Werte eine Beschreibung des Klopfvorgangs ermöglichen, wird auf die thermische und mechanische Belastung der betreffenden Motor teile geschlossen und eine entsprechende Korrektur des Motor- Betriebspunkts durchgeführt. Das aufbereitete Signal wird außerdem einer Leistungs-Auswertung D unterzogen, wozu der effektive Klopfdruck, der überstrichene Kurbelwinkel und der Zeitraum, in dem ein Klopfen auftritt zu einer Klopfleistungs- Berechnung herangezogen werden, wobei mittels einer Schwell wertentscheidung innerhalb des Kurbelwinkelfensters, wenn die entsprechende Klopfsignalamplitude erreicht ist, der Effektiv wert des den Klopfdruckverlauf repräsentierenden Signals ge bildet wird und daran anschließend die Klopfleistung berechnet und gespeichert wird. Danach wird der Mittelwert der be treffenden Klopfleistung ermittelt. Aus dem Spitzendruck, dem Druckmittelwert und der Streuung sowie aus der Spitzenklopf leistung, dem Klopfleistungsmittelwert und der Streuung, welche Werte eine Beschreibung des Klopfvorgangs ermöglichen, wird auf die thermische und mechanische Belastung der be treffenden Motorteile geschlossen und eine entsprechende Korrektur des Motor-Betriebspunkts durchgeführt.

Fig. 4 zeigt, wie bereits erläutert, ein Oszillogramm typischer Signale für das "Klopfen" und für durch mechanisch bewegte Motorteile erzeugte Störschallwellen.

Fig. 5 zeigt ein Flußdiagramm, aus dem die Schritte des er findungsgemäßen kombinierten Verfahrens hervorgehen. In einem ersten Schritt A wird ein Zylinderdrucksignal aus einem in einem Brennraum des betreffenden Otto-Motors angeordneten Drucksensor eingelesen. In einem folgenden Schritt B wird das Drucksignal hochpaßgefiltert und mittels einer Fenster schaltung zeitlich begrenzt. Anschließend wird in einem Schritt C der Spitzenwert des Drucksignals berechnet. In einem Schritt E wird daran anschließend die Klopfdauer, d. h. der Zeitabschnitt, über den hinweg ein "Klopfen" auftritt, be rechnet. In einem folgenden Schritt D wird die Klopfleistung des Klopfsignals berechnet. Anschließend daran wird in einem Schritt F die Anzahl der statistisch auszuwertenden Ereignisse eingelesen.

Daran anschließend wird in einem Schritt G die Kombination der auszuwertenden Ereignisse eingelesen. Die Anzahl der statistisch auszuwertenden Ereignisse und die Kombination der auszuwertenden Ereignisse werden der Auswerteschaltung H, die zuvor erläutert wurde, aus der Motormanagement-Bearbeitungs einheit M, die ebenfalls zuvor erläutert wurde, zugeführt. An schließend wird in einem Schritt H eine Auswertung aller der Auswerteschaltung H zugeführten Daten ausgeführt. Schließlich erfolgt in einem Schritt I die Ausgabe der Ergebnisse aus der Auswerteschaltung H an die Motormanagement-Verarbeitungs einheit M, die ihrerseits die Ergebnisse zur Korrektur des Motor-Betriebspunkts, beispielsweise durch Einflußnahme auf das Zündsystem des Otto-Motors, ausgibt.

Außerdem sieht das erfindungsgemäße Verfahren im einzelnen vor, daß der Kompressionsdruckverlauf im Zeitabschnitt des polytropen Druckanstiegs erfaßt wird. Der Luftmassenstrom im Saugrohr und die Luftmassenstromänderung werdem bezogen auf die aktuelle Kolbenstellung erfaßt. Aus dem Kompressionsdruck verlauf wird dann die Gasgemischmasse bestimmt. Es werden dann das Ausmaß des Gasgemischverlusts ("Blowby") aufgrund des Durchtritts von Gasgemisch durch die Abdichtstellen des Ver brennungsraums durch Mehrfachmessung während eines Kompressions vorgangs und die eingeströmte Luftmasse berechnet, vergl. E, E′ in Fig. 7. Die Luftfüllung des Arbeitsvolumens wird aus gehend von dem zeitlichen Verlauf der Saugrohrströmung mittels vorgegebener Berechnungsvorschriften vorausberechnet, vergl. A, B, C in Fig. 7. Davon ausgehend wird die Kraftstoffein leitmasse berechnet und eingeleitet. Schließlich werden die Berechnungsvorschriften zur Berechnung der Luftfüllung mittels der sich ergebenden Meßergebnisse korrigiert, vergl. F, G, H in Fig. 7.

Die Erfassung des Luftmassenstroms und dessen Änderung wird mittelbar durch Messen des Drosselklappenstellwinkels durchge führt. Das Messen des Drosselklappenwinkels wird digital, vorzugsweise mittels einer sogenannten Codierscheibe, durch geführt. Das Messen des Drosselklappenstellwinkels kann jedoch auch analog mittels eines induktiven Aufnehmers, elektrisch mittels eines Potentiometer-Aufnehmers oder kapazitiv durchge führt werden.

Die Erfassung des Luftmassenstroms und dessen Änderung kann mittelbar durch Messen des Saugrohrdrucks, unmittelbar durch Messen mittels Hitzdrahtsensors, unmittelbar durch Messen mittels Stauklappen-Strömungssensors oder unmittelbar durch Messen mittels US-Strömungssensors durchgeführt werden.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß bei der Berechnung der eingeströmten Luftmasse der in dem Arbeitsvolumen verbleibende Restgasanteil berücksichtigt wird. Außerdem ist vorgesehen, daß bei der Berechnung der eingeströmten Luftmasse die durch das Arbeitsvolumen in das Abgasrohr durchgeströmte Luftmasse berücksichtigt wird.

Die Kolbenbrennkraftmaschine kann ein mit einem oder mehreren Zylinder versehener Otto-Motor, ein mit einem oder mehreren Zylindern versehender Zweitakt-Motor oder ein Kreiskolben motor mit einer oder mehreren Brennkammern sein.

Zweckmäßigerweise werden die Erfassungs-, Berechnungs- und Korrekturvorgänge arbeitsvolumenindividuell durchgeführt.

Vorteilhafterweise wird gemäß einer Weiterbildung der Er findung aus dem Ausmaß des Gasgemischverlusts eine Information abgeleitet, die Aufschluß über einen Alterungseffekt oder einen Defekt in der Kolbenbrennkraftmaschine abgibt. Die abgeleitete Information kann für Zwecke eines Diagnosesystems benutzt werden.

In dem System ggf. analog auftretende Signale können zweck mäßigerweise mittels Analog/Digital-Wandlung in digitale Signale zur Weiterverarbeitung derselben umgesetzt werden.

Wie bereits erläutert, zeigt Fig. 11 ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Einstellung des Zündwinkels. Aus einem Funktionsblock "Strategie" wird ein Sollwert der Spitzendruck lage in dem Arbeitsvolumen über eine Leitung G einem Subrahier glied A zugeführt. Einem zweiten Eingang dieses Subtrahier gliedes wird ein Istwert der Spitzendrucklage zugeführt. Das Ausgangssignal dieses Subtrahiergliedes, das den Wert D = 0 annehmen soll, wird einem Proportional-Integral-Differenzial- Regler oder PID-Regler B zugeführt, der vorzugsweise mit einem Mikroprozessor, z.B. des Typs 80 C 196 KA realisiert ist. Das Ausgangssignal dieses Reglers α _z wird zum einen einem Identifikator C, der ebenfalls vorteilhafterweise als Mikro prozessor realisiert ist, und zum anderen der Meßstrecke, die der in Fig. 10 gezeigten Zylinderkopf mit dem Drucksensor ent hält, an einem Eingang a zugeführt wird. Ein Ausgang b dieser Meßstrecke ist, wie bereits angedeutet, dem zweiten Eingang des Subtrahiergebietes und einem zweiten Eingang des Identi fikators C zugeführt. Der Identifikator stellt fest, bei welchem Zündwinkel sich welche Spitzendrucklage ergibt. Mit dem Identifikator korrespondiert ein Zuordner, der vorteil hafterweise als RAM ausgebildet ist und dem aus der Funktionseinheit "Strategie" ein Wert für die angestrebte Regler-Güte zugeführt wird. Andererseits gibt der Zuordner Streckendaten an die Funktionseinheit "Strategie" aus.

Die Funktionseinheit "Strategie", die unter anderem vorteil hafterweise einen Mikroprozessor und ein ROM bzw. EPROM ent hält, gibt die Streckentaten in aufbereiteter Form z. B. zur Steuerung der Einspritzmenge, zu Diagnosezwecken usw. an eine übergeordnete Einrichtung ab. Andererseits werden der Funktions einheit "Strategie" Herstellerdaten F eingegeben, aufgrund der er die Funktion in Abhängigkeit von den technischen Kenndaten der betreffenden Bandschaftmaschine gesteuert werden. Außerdem werden der Funktionseinheit "Strategie" Kurbelwellen- und Nockenwellenpositionsdaten, ein Wert p (ϕ) betreffend den Druckverlauf in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel, ein Wert be treffend Abgaswerte aus einem Abgassensor, ein Wert n be treffend die Drehzahl aus einem Drehzahlsensor und ein Wert v betreffend den Drosselklappenöffnungswinkel aus einem Drossel klappensensor eingegeben, vergl. Fig. 12.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren entfallen langwierige Prüfstands- und Fahrversuche. Die Reaktion, die auf einen Zündvorgang folgt, wird mit einem im Brennraum positionierten Drucksensor beobachtet. Aus dem Druckverlauf werden Kriterien zur Zündwinkelverstellung gewonnen.

Die Lage des Spitzendrucks ist eine sofort zur Verfügung stehende, repräsentative Information über den unmittelbar abgelaufenen Verbrennungsvorgang. Mit Hilfe eines adaptiven Regelkreises, vergl. Fig. 13, wird der Zündzeitpunkt so ver stellt, daß die Spitzendrucklage einem von außen vorgegebenen Wert entspricht. Eine Identifikation der Strecke Zündwinkel- Spitzendruck ermöglicht ein Nachführen der Reglerparameter und somit ein optimales Einschwingverhalten. Dieser Regelkreis wird zur schnellen Reaktion verwendet, die einsetzt, wenn die gemessene Spitzendrucklage ein zur Initialisierung des Systems vorgegebenes Fenster verläßt oder wenn eine schnelle Be triebspunktänderung von z.B. einem übergeordneten Management system gefordert ist.

Innerhalb dieses Fensters arbeitet ein vergleichsweise lang samer Regler, der den Zündwinkel auf maximale Motorleistung bei gegebenem Betriebspunkt fährt. Der indizierte Mitteldruck, also das Linienintegral pdV, ist ein Maß der abgegebenen Motorleistung. Zur Bestimmung wird das Drucksignal mit dem zum jeweiligen Kurbelwinkel gehörigen Volumenänderungsbetrag multipliziert, aufsummiert und nach jedem Arbeitsspiel ausge wertet.

Bei einem über mehrere Motorzyklen konstanten Lastzustand, der charakterisiert ist durch geringe Drehzahl- und Fahrerwunsch änderungen, wird die Spitzendrucklage bei dem optimalen Be triebspunkt automatisch in ein Kennfeld eingetragen.

Die ermittelten Spitzendrucklagen werden nach weiteren Kriterien, wie Klopfen und Abgasverhalten, selektiert. Diese Selektion ist dem Regler überlagert und wirkt begrenzend, um Motorschäden zu verhindern und Abgasnormen einzuhalten. Es entstehen während des Betriebs ein an den Motor angepaßtes Kennfeld, das die Sollwerte für den adaptiven Regler liefert.

Die motorspezifische, statistische Streuung der Spitzendruck lage bedingt ein entsprechend angepaßtes Fenster. Zur Abhilfe wird die Steuerung aus einer repräsentativen Anzahl von Spitzendrucklagen aufgezeichnet und daraus die Fensterbreite adaptiv variiert.

Im einzelnen sieht das erfindungsgemäße System vor, daß die Spitzendrucklage des Kompressionsdruckverlaufs in dem Arbeitsvolumen der Brennkraftmaschine erfaßt wird, daß aus der erfaßten Spitzendrucklage eine diese repräsentierende Infor mation abgeleitet wird, die unmittelbar als Regelgröße in einem Regelkreis zum Einstellen verwendet wird, daß dem Regel kreis eine erzeugte Führungsgröße zugeführt wird und daß der Zündzeitpunkt mit Hilfe des Regelkreises so eingestellt wird, daß die Spitzendrucklage der erzeugten Führungsgröße ent spricht.

Die Regelparameter werden entsprechend den von Drehzahl, Last, Luftfeuchtigkeit, Gemischzustand und Motortemperatur ab hängigen Parametern der Übertragungsfunktion zwischen Zünd winkel und Spitzendrucklage nachgeführt. Die Abstimmung der Regelparameter wird zusätzlich von einer erzeugten Hilfsgröße betreffend die Reglergüte, nämlich das Einschwingverhalten des Regelkreises, durchgeführt. Die erzeugte Führungsgröße wird aus einer von dem Hersteller der Brennkraftmaschine festge legten Verknüpfung verschieden gewichteter Zielgrößen, wie Abgaswerte, Leistung, Fahrkomfort, Betriebssicherheit (Kalt start, Überhitzung, Klopfen usw.) abgeleitet.

Die den Zielgrößen entsprechenden erforderlichen Sollwerte für den Regelkreis in Phasen niedriger Drehzahl und kleiner Last änderung werden automatisch mittels einer selbstlernenden An ordnung, wie sie aus dem Stand der Technik in Form eines neuronalen Netzes bekannt ist, ermittelt und gespeichert.

Vorteilhafterweise wird die erzeugte Hilfsgröße abhängig von dynamischen Vorgängen, z.B. Fahrerwunschänderung, Betriebs punktänderung, Gemischzustandsänderung, Laufruheänderung, Klopfen usw., verändert.

Die Hilfgröße kann auch abhängig von einer Überschreitung einer Fensterbreite durch Sollwerteabweichungen geändert werden. Die Einstellung der Fensterbreite wird zweckmäßiger weise abhängig von den statistischen Schwankungen der Soll werteabweichungen berechnet.

Zur Erfassung des Kompressionsdruckverlaufs ist erfindungs gemäß vorgesehen, in dem Arbeitsvolumen der Brennkraftmaschine einen Drucksensor, vorzugsweise in der Wandung des Zylinder kopfes, anzuordnen.

Claims

1. Verfahren zum Optimieren des Betriebs einer fremdgezündeten Kolbenbrennkraftmaschine, insbesondere eines Otto-Motors, gekennzeichnet durch

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

a1) daß ein von einem in einem Verbrennungsraum des Otto- Motors angeordneten Drucksensor geliefertes, ein Klopfsignal repräsentierendes Ausgangssignal, das die vollständige Information über den im Verbrennungsraum beobachtbaren Druckverlauf enthält, zum Trennen des den Klopfvorgang betreffenden hochfrequenten Anteils des Ausgangssignals von dem niederfrequenten Nutzdruckanteil hochpaßgefiltert wird,
a2) daß - um eine mögliche Modulation des Ausgangssignals mit Drucksignalen, die durch in dem Motor vorhandene Schwingungserreger, wie Ventile, benachbarte Kolben usw., erzeugt werden, zu unterbinden - das Klopfsignal nur innerhalb eines vorgegebenen Kurbelwinkelfensters, in dem das Klopfsignal zu erwarten ist, ausgewertet wird,
a3) daß das derart aufbereitete Signal einer Spitzendruck- Auswertung unterzogen wird, indem es gleichgerichtet wird, der Spitzenwert des Klopfdrucks je Motorzyklus gespeichert wird und innerhalb eines vorgegebenen Beobachtungszeitraums, der zumindest zwei Motorzyklen umfaßt, der Mittelwert der betreffenden Spitzenklopfdrücke ermittelt wird,
a4) daß aus dem Spitzendruck und dem Mittelwert, welche Werte eine Beschreibung des Klopfvorgangs ermöglichen, auf die thermische und mechanische Belastung der betreffenden Motorteile geschlossen und eine entsprechende Korrektur des Motor-Betriebspunkts durchgeführt wird,
b1) daß der Kompressionsdruckverlauf im Zeitabschnitt des polytropen Druckanstiegs erfaßt wird (7),
b2) daß der Luftmassenstrom im Saugrohr und die Luftmassen stromänderung bezogen auf die aktuelle Kolbenstellung erfaßt werden,
b3) daß aus dem Kompressionsdrucklauf die Gasgemischmasse bestimmt wird,
b4) daß das Ausmaß des Gasgemischverlusts ("Blowby") auf grund des Durchtritts von Gasgemisch durch die Abdicht stellen des Verbrennungsraums durch Mehrfachmessung während eines Kompressionsvorgang berechnet wird (E′) und die einge strömte Luftmasse berechnet wird (E),
b5) daß die Luftfüllung des Arbeitsvolumens ausgehend von dem zeitlichen Verlauf der Saugrohrströmung mittels vorge gebener Berechnungsvorschriften vorausberechnet wird (A, B, C) und davon ausgehend die Kraftstoffeinleitmasse berechnet und eingeleitet wird,
b6) daß die Berechnungsvorschriften zur Berechnung der Luft füllung mittels der sich ergebenden Meßergebnisse korrigiert werden (F, G, H),
c1) daß die Spitzendrucklage des Kompressionsdruckverlaufs in dem Arbeitsvolumen der Brennkraftmaschine erfaßt wird,
c2) daß aus der erfaßten Spitzendrucklage eine diese repräsentierende Information abgeleitet wird, die unmittel bar als Regelgröße in einem Regelkreis zum Einstellen ver wendet wird,
c3) daß dem Regelkreis eine erzeugte Führungsgröße zugeführt wird und
c4) daß der Zündzeitpunkt mit Hilfe des Regelkreises so eingestellt wird, daß die Spitzendrucklage der erzeugten Führungsgröße entspricht.

3. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2,

- daß eine Auswerteschaltung (H) je Zylinder des Otto-Motors vorgesehen ist,
- daß der zylinderindividuellen Auswerteschaltung (H) eine zylinderindividuelle Eingangsschaltungsanordnung (B) mit einem Signaleingang (A), wobei die Eingangsschaltungs anordnung (B) einen Verstärker, ein Hochpaßfilter und eine Fensterschaltung enthält, sowie eine Spitzenwert-Erfassungs schaltung (C) und/oder eine Klopfleistungs-Erfassungs schaltung (D) und eine Zeit-Erfassungsschaltung (E) zuge ordnet sind und
- daß alle zylinderindividuellen Auswerteschaltungen (H), die für den betreffenden Otto-Motor vorgesehen sind, mit einer gemeinsamen Motormanagement-Verarbeitungseinheit (M) verbunden sind.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Aus werteschaltung (H) und die Motormanagement-Verarbeitungsein heit (M) jeweils mit einer Datenverarbeitungseinrichtung ver sehen sind.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Daten verarbeitungseinrichtung einen Mikroprozessor umfaßt.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Er fassung des Luftmassenstroms und dessen Änderung mittelbar durch Messen des Drosselklappenstellwinkels durchgeführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Messen des Drosselklappenstellwinkels digital, vorzugsweise mittels einer sogenannten Codierscheibe, durchgeführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Messen des Drosselklappenstellwinkels analog mittels eines induktiven Aufnehmers durchgeführt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Messen des Drosselklappenstellwinkels elektrisch mittels eines Potentiometer-Aufnehmers durchgeführt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Messen des Drosselklappenstellwinkels kapazitiv durchgeführt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Er fassung des Luftmassenstroms und dessen Änderung mittelbar durch Messen des Saugrohrdrucks durchgeführt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Er fassung des Luftmassenstroms und dessen Änderung unmittelbar durch Messen mittels Hitzdrahtsensors durchgeführt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Er fassung des Luftmassenstroms und dessen Änderung unmittelbar durch Messen mittels Stauklappen-Strömungssensors durchgeführt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Er fassung des Luftmassenstroms und dessen Änderung unmittelbar durch Messen mittels US-Strömungssensors durchgeführt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Berechnung der eingeströmten Luftmasse der in dem Arbeits volumen verbleibende Restgasanteil berücksichtigt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Berechnung der eingeströmten Luftmasse die durch das Arbeits volumen in das Abgasrohr durchgeströmte Luftmasse berücksichtigt wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 2, 6 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenbrennkraftmaschine ein mit einem oder mehreren Zylinder versehener Otto-Motor ist.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 2, 6 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenbrennkraftmaschine ein mit einem oder mehreren Zylindern versehener Zweitakt-Motor ist.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 2, 6 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenbrennkraftmaschine ein Kreiskolbenmotor mit einer oder mehreren Brennkammern ist.

20. Verfahren nach Anspruch 17, 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Er fassungs-, Berechnungs- und Korrekturvorgänge arbeitsvolumen individuell durchgeführt werden.

21. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Ausmaß des Gasgemischverlusts eine Information abgeleitet wird, die Aufschluß über einen Alterungseffekt oder einen Defekt in der Kolbenbrennkraftmaschine gibt.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die abge leitete Information für Zwecke eines Diagnosesystems benutzt wird.

23. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reglerparameter entsprechend den von Drehzahl, Last, Um gebungsbedingungen, wie Luftfeuchtigkeit, barometischer Druck und Lufttemperatur, Gemischzustand und Motorbetriebszustand abhängigen Parametern der Übertragungsfunktionen zwischen Zündwinkel und Spitzendrucklage nachgeführt werden.

24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Ab stimmung der Reglerparameter zusätzlich von einer erzeugten Hilfsgröße betreffend die Reglergüte, nämlich das Ein schwingverhalten des Regelkreises, durchgeführt wird.

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 2, 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, daß die erzeugte Führungsgröße aus einer von dem Hersteller der Brennkraftmaschine festgelegten Verknüpfung verschieden gewichteter Zielgrößen, wie Abgaswerte, Leistung, Fahrkomfort, Betriebssicherheit (Kaltstart, Überhitzung, Klopfen usw.) abgeleitet wird.

26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die den Zielgrößen entsprechenden erforderlichen Sollwerte für den Regelkreis in Phasen niedriger Drehzahl und kleiner Last änderung automatisch mittels einer selbstlernenden Anordnung ermittelt und gespeichert werden.

27. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die erzeugte Hilfsgröße abhängig von dynamischen Vorgängen, z.B. Fahrerwunschänderung, Betriebspunktänderung, Gemischzustandsänderung, Laufruheänderung, Klopfen usw., verändert wird.

28. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfs größe abhängig von einer Überschreitung einer Fensterbreite durch Sollwerteabweichungen geändert wird.

29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein stellung der Fensterbreite abhängig von den statistischen Schwankungen der Sollwertabweichungen berechnet wird.

30. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Arbeitsvolumen der Brennkraftmaschine, vorzugsweise in der Wandung des Zylinderkopfes, ein Drucksensor zur Erfassung des Kompressionsdruckverlaufs angeordnet ist.