DE4318504C2

DE4318504C2 - Verfahren zur Erzeugung eines Regelsignals für den Zündzeitpunkt einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE4318504C2
Application number: DE4318504A
Authority: DE
Inventors: Peter Kleinschmidt; Hans-Georg Von Garsen
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 1993-06-03
Filing date: 1993-06-03
Publication date: 2001-03-29
Anticipated expiration: 2013-06-04
Also published as: DE4318504C1

Description

Die Steuerelektronik eines Ottomotors hat unter anderem die Aufgabe, den die Motorleistung, den Kraftstoff verbrauch und die Abgaswerte entscheidend beeinflussenden Zündzeitpunkt stets auf einen optimalen Wert einzustellen. Den für den jeweiligen Betriebszustand des Motors optimalen Zündzeitpunkt bestimmt man hierbei vorab in aufwendigen Versuchsreihen auf einem Motorprüfstand. Neben den Betriebsparametern Dreh zahl, Last, Motortemperatur usw. hangt der optimale Zündzeitpunkt aber auch noch von meßtechnisch kaum zu erfassenden Alterungsvorgängen im Motor ab. Deren Einfluß auf den Zündzeitpunkt ist im allgemeinen nicht vorhersagbar und für jeden Motor verschieden. Es wird daher versucht, den von der Motorsteuerung vorgege benen Zündzeitpunkt durch Überwachung des Verbrennungsprozesses im Nachhinein auf seine Richtigkeit hin zu überprüfen und ggf. zu korrigieren.

Die DE 40 01 362 A1 betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung des Zündzeitpunkts in einer mehrere Zylin der aufweisenden Brennkraftmaschine, die eine genaue Erfassung der in die jeweilige Brennkammer geladenen Luftmenge erlaubt. Die Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einer die Zündspule und das Einspritzelement der Brennkraftmaschine ansteuernden Recheneinheit und Sensoren zur Messung der Temperatur der Ansaug luft, des Zylinderinnendrucks, der Maschinendrehzahl und des Kurbelwinkels. Als Meßgröße für die Maschinen last dient die Zylinderluftmenge, die man gemäß der Beziehung Q: = K1 . K2 . V(Θ₀) . P(Θ₀) aus dem Zylinder volumen V(Θ₀), dem Zylinderdruck P(Θ₀) und den von der Ladelufttemperatur und der Restabgasmenge abhän gigen Korrekturfaktoren K1 und K2 berechnet. Die Größe Θ₀ bezeichnet einen Kurbelwinkel im Bereich des unteren Totpunkts im Kompressionshub. Weicht die gemessene Zylinderluftmenge von einem vorgegebenen Sollwert ab, wird der Zündzeitpunkt entsprechend nachgeregelt.

Das aus DE 37 27 856 A1 bekannte Verfahren zur Regelung der Ansaugluftmenge, des Luft-/Kraftstoff-Ver hältnisses und des Zündzeitpunkts soll die Gemischaufbereitung optimieren, die Abgasemissionen und den Kraftstoffverbrauch dadurch verringern sowie die Steuerbarkeit des Motors unabhängig von den jeweiligen Umgebungsbedingungen (Luftdruck, Außentemperatur) oder Alterungseffekten gewährleisten. Als Kennwert für die Ausgangsleistung des Motors dient der maximale Verbrennungsdruck in den Zylindern, den man mit Hilfe von Piezosensoren abtastet, mit einem von der Drosselklappenstellung, der Drehzahl und weiteren Parametern abhängigen Sollwert vergleicht und durch Nachregelung der angesaugten Luftmenge solange ändert, bis er mit dem Sollwert übereinstimmt. Die Einstellung des Zündzeitpunkts SA erfolgt gemäß der Beziehung SA = SA₀ - α(Θ_pmax - Θ_pmax0), wobei SA₀ einen von der Drehzahl und der Ansaugluftmenge abhängigen Sollzündzeitpunkt, α eine Konstante, Θ_pmax den dem Maximum des gemessenen Zylinderdrucks zugeordneten Kurbelwinkel und Θ_pmax0 einen im Hinblick auf den Kraftstoffverbrauch optimalen Sollkurbel winkel für den maximalen Zylinderdruck bezeichnen.

Die DE 34 35 254 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Einstellung des Zündzeitpunkts eine Brennkraftmaschi ne auf einen für den Wirkungsgrad optimalen Wert. Eingangsgrößen für den Regelkreis der Vorrichtung sind der Kurbelwinkel maximalen Brennraumdrucks und die vom jeweiligen Kolben während des Verbrennungsprozes ses geleistete Arbeit.

Die aus den US-A-4,481,925 oder 4,727,842 bekannten Verfahren verwenden ebenfalls die Kurbelwinkellage des Maximums des Zylinderdrucks als Kriterium für den richtigen Zündzeitpunkt, wobei die Abweichung des dem Druckmaximum zugeordneten Kurbelwinkels von einem fest vorgegebenen Sollwert das gewünschte Korrektursignal liefert. Im Bereich hoher Lasten ist die Lage des Druckmaximums recht gut mit der für das Wirkungsgradoptimum relevanten Lage des thermodynamischen Verbrennungsschwerpunkts korreliert. Völlig andere Verhältnisse liegen dagegen im Teillastbereich, insbesondere in der Nähe der Leerlaufbetriebspunkte vor, wo der allein von der Kompression des Kraftstoff-Luftgemischs hervorgerufene Druckanstieg im Hoch druckteil des Motorzyklus den aufgrund der Verbrennung erwarteten zusätzlichen Druckanstieg deutlich über trifft. Im Teillastbereich kann man aus der Lage des Druckmaximums daher kein ausreichend genaues Korrek tursignal für den Zündzeitpunkt mehr ableiten.

Das in der WO 89/03 983 beschriebene Verfahren verwendet die Abweichung der Kurbelwinkellage des maximalen Verbrennungs drucks von einem den Verbrennungsschwerpunkt repräsentieren den Sollwert als Regelsignal, um den Zündzeitpunkt auf ein für den Kraftstoffverbrauch und die Abgasemissionen der Brennkraftmaschine optimalen Wert einzustellen. Der Verbren nungsdruck p*(θ) (θ: Kurbelwinkel) wird hierbei aus dem gemes senen Zylinderdruck p(θ) und dem Kompressionsdruck p_K(θ) durch Bilden der Differenz p*(θ): = p(θ) - p_K(θ) berechnet. Um die Abhängigkeit des Kompressionsdrucks p_K(θ) vom Kurbel winkel festzulegen, mißt man zunächst den Zylinderdruck p(θ₀) und das Brennraumvolumen V(θ₀) zu einem Zeitpunkt, wo die Verbrennung des Kraftstoff-Luftgemischs mit Sicherheit noch nicht eingesetzt hat. Unter der Annahme einer polydropen Ver dichtung des Kraftstoff-Luftgemischs wird dann der dem gemes senen Zylinderdruck p(θ) zugeordnete Kompressionsdruck P_K(θ) mit Hilfe der Gleichung p_K(θ): = [V(θo/V(θ)]ⁿ . p(θo) bestimmt.

Es soll ein Verfahren zur Erzeugung eines Regelsignals angegeben werden, mit dem sich der Zündzeitpunkt einer Brennkraftmaschine auch im Teillastbetrieb, insbesondere im Leerlauf, auf einen beispielsweise für den Wirkungsgrad optimalen Wert einstellen läßt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Verfahren nach den Patentansprüchen 1 und 8 gelöst.

Der mit der Erfindung erzielbare Vorteil besteht insbesondere darin, daß sich der Kraftstoffverbrauch eines Ottomotors verringern, dessen Laufruhe verbessern und die Abgasemissionen reduzieren lassen.

Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der im folgenden anhand der Zeichnungen erläuterten Erfindung. Hierbei zeigt:

Fig. 1 den Brennverlauf in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel.

Fig. 2 den Zylinderdruck in Abhängigkeit vom Brennraumvolumen während eines typischen Motorzyklus in doppeltlogarithmischer Darstellung.

Fig. 3 den Zylinderdruck in Abhängigkeit von einer geeignet gewählten Potenz des Brennraumvolumens.

Die Grundidee der Erfindung besteht darin, bei der Auswertung des von einem Sensor gemessenen Zylinder drucks im Hochdruckteil des Motorzyklus zunächst denjenigen Anteil zu bestimmen und abzutrennen, der auf die durch die Kolbenbewegung hervorgerufene Änderung des Brennraumvolumens zurückgeht. Im Rahmen dieser Signalvorverarbeitung kann man auch sensorspezifische Fehler, insbesondere Nullpunktdriften kompen sieren. Für jedes betrachtete Zeitintervall wird dann eine von der Kolbenbewegung weitgehend unabhängige Maßzahl für den Fortschritt des Verbrennungsvorgangs berechnet und daraus ein Schätzwert für den Verbren nungsschwerpunkt abgeleitet. Nach der in der Motortechnik üblichen Definition entspricht der Verbrennungs schwerpunkt demjenigen Kurbelwinkel, bei dem die Hälfte des insgesamt während eines Arbeitstaktes verbren nenden Kraftstoffs bereits verbrannt ist. Die Abweichung des Schätzwertes von dem für jeden Motor bekannten und kaum noch betriebspunktabhängigen optimalen Verbrennungsschwerpunkt liefert dann das Regelsignal für die Adaption der Zündwinkelvorsteuerung.

Der im ungefeuerten Motor nach dem Schließen des Einlaßventils beobachtete Druckanstieg läßt sich in guter Näherung durch die Polytropenbeziehung

p₁(t) = K₁ . {V(t)}^-n ₁ (1)

beschreiben, in der t die Zeit, p₁(t) den Druck im Brennraum ohne den Einfluß chemischer Energieumsetzungen, V(t) das momentane Volumen des Brennraumes und K₁ bzw. n₁ geeignet zu wählende Konstanten bezeichnen.

Vernachlässigt man insbesondere den in der Praxis unvermeidlichen Wärmeübergang zwischen dem Arbeits gas und der Brennraumwand sowie die Gasverluste an den Kolbendichtungen, so ist der Exponent n₁ durch das Verhältnis n₁ = C_p/C_V der spezifischen Wärme C_p des Arbeitsgases bei konstantem Druck und der spezifischen Wärme C_V bei konstantem Volumen gegeben. Für reine Luft unter Normalbedingungen nimmt dieses Verhältnis den Wert n₁ ≈ 1,4 an. Um Abweichungen von diesen in der Praxis nie realisierten Idealbedingungen zu berück sichtigen, werden der Exponent n₁ und der Faktor K₁ als Fitting-Parameter zur Anpassung des durch Gleichung (1) beschriebenen Druckverlaufs p₁(t) an den tatsächlich beobachteten Druckverlauf p(t) behandelt.

Zur Bestimmung der Parameter n₁ und K₁ berechnet man zunächst das Brennraumvolumen V(t) gemäß der aus /1/ bekannten Beziehung

V(t) = V_OT + 1/2 V_H{1 + l/r - cosϕ - ((l/r)² - sin²ϕ)1/2)} (2)

wobei ϕ(t) den von einem entsprechenden Sensor gemessenen Kurbelwinkel, V_OT das Volumen des Verdich tungsraums am oberen Totpunkt V_H das Hubvolumen und der Quotient l/r das Pleuelstangenverhältnis bezeich nen. Um ein lineares Ausgleichsproblem für die Bestimmung der Parameter n₁ und K₁ zu erhalten, werden geeignet gewählte Druckmeßwerte p(t) und die gemäß Gleichung (2) berechneten Volumina V(t) logarithmiert und in die aus (1) abgeleitete Gleichung (3) eingesetzt.

log(p₁(t)) = -n₁ . log(V(t)) + log(K₁) (3)

Falls man den Zylinderdruck p(t) und den Kurbelwinkel ϕ nur zu N diskreten Zeiten t = t_i (i = 1, 2, . . . N) mißt, erleichtert dies den Rechenaufwand für die Bestimmung der Parameter n₁ und K₁ erheblich. Es ist dann lediglich eine Gerade durch N äquidistante Punkte zu legen, wobei insbesondere die aus /2/ bekannten elementaren Lösungsmethoden zur Anwendung kommen.

Das beschriebene Verfahren liefert allerdings nur dann vernünftige Werte für die Parameter n₁ und K₁, wenn nur die innerhalb des schmalen Zeitfensters zwischen dem Schließen des Einlaßventils und dem frühestmögli chen Einsetzen der Verbrennung im Zylinder gemessenen Druckwerte p(t = t_i) für den Geradenfit herangezo gen werden.

Bisherige Erfahrungen deuten darauf hin, daß die Größe n₁ während des Motorbetriebes sich sowenig ändert, daß man sie fest vorgeben kann und dann mit K₁ als einzig zu bestimmendem Parameter auskommt.

Mit den durch einen mit bestimmten Parametern n₁ und K₁ beschreibt Gleichung (1) denjenigen Druckverlauf im Zylinder, den man bei fehlender Verbrennung im Hochdruckteil des Arbeitszyklus beobachten würde. Die Differenz zwischen dem fiktiven ungefeuerten Druckverlauf p₁(t) und dem nach Einsetzen der Verbrennung tatsächlich beobachteten Druckverlauf p(t) kann man daher als Maßzahl für den Fortschritt des Verbrennungs vorgangs heranziehen. Der Kurbelwinkel ϕ_S, bei dem die dem Verbrennungsdruck entsprechende Differenz p(t) - p₁(t) die Hälfte ihres Maximalwertes erreicht, dient dann als Schätzwert für den Verbrennungsschwerpunkt. Hierbei wird unterstellt, daß das Ansteigen der Differenz p(t) - p₁(t) auf den Wert 1/2 Max {p(t) - p₁(t)} die Verbrennung der Hälfte des im Zylinder vorhandenen Kraftstoffs signalisiert.

Formal läßt sich der gesuchte Schätzwert ϕ_S für den Verbrennungsschwerpunkt durch Lösung der Gleichung

bestimmen. Die Größe S₁ bezeichnet hier den relativen Massenanteil an Kraftstoff, der innerhalb des ausgewähl ten Arbeitszyklus zu einem bestimmten Zeitpunkt bereits verbrannt ist, bezogen auf die insgesamt während des Arbeitszyklus verbrennende Kraftstoffmenge. In Fig. 1 ist die sich aus den Gleichungen (4), (1) und (2) ergebende Abhängigkeit der Größe S₁ vom Kurbelwinkel ϕ dargestellt. Da die Druckmeßwerte p(t) nur zu Zeiten t = t_i(i = 1, . . . N) erfaßt wurden, nimmt S₁ ebenfalls nur die durch Kreise markierten Werte an. Der Schnittpunkt der auf einer s-förmigen Kurve liegenden Werte mit der gestrichelt eingezeichneten Geraden S₁ = 0,5 liefert den gesuchten Schätzwert ϕ_S für den Verbrennungsschwerpunkt. Zusätzlich zeigt Fig. 1 auch eine die beiden Punkte s' und s" verbindende interpolationsgerade, die die Lösung der Gleichung S₁ (ϕ_S = 0,5 erleichtert. Nach der Bestimmung des Schätzwertes ϕ_S wird dieser mit dem für jeden Motor bekannten optimalen Verbrennungs schwerpunkt verglichen, wobei die Differenz dieser beiden Werte als Regelsignal für die Zündwinkelsteuerung dient.

Durch die Abtrennung des mit Hilfe der Polytropenrelation (1) beschriebenen ungefeuerten Druckverlaufs p₁(t) vom gemessenen Druckverlauf p(t) läßt sich eine von Motorzyklus zu Motorzyklus langsame Nullpunkts drift des Drucksensors weitgehend kompensieren. Eine sich von Zyklus zu Zyklus langsam ändernde Empfind lichkeit des Drucksensors kann man anhand des jeweils bestimmten Polytropenexponenten n1 erkennen und durch Multiplikation des Sensorausgangssignals mit einem geeigneten Faktor eliminieren.

Das oben beschriebene Verfahren kann in bekannten Motorsteuersystemen in Echtzeit ausgeführt werden. Es besitzt allerdings den Nachteil, daß es eine durch die Volumenänderung des verbrannten Gemisches bedingte Druckänderung nicht berücksichtigt. So hängt die Druckdifferenz p(t) - p₁(t) nicht nur vom Fortschritt der Verbrennung, sondern auch von Änderungen des Brennraumvolumens V(t) ab. Vergrößert sich beispielsweise das Brennraumvolumen V(t) in der Expansionsphase nach dem Ende des Verbrennungsprozesses, so sinkt außer dem gemäß Gleichung (1) berechneten ungefeuerten Druck p₁(t) auch der durch die Verbrennung hervorgerufe ne Zusatzdruck p(t) - p₁(t) ab.

Um die durch die Volumenänderung des verbrannten Gemisches bedingte Druckänderung abzuspalten, wird ein der Gleichung (1) entsprechender Polytropenansatz

p₂(t) = K₂ . {V(t)}^-n ₂ (5)

gemacht, wobei man die Größen K₂ und n₂ wieder als Fitting-Paramter behandelt. Im Unterschied zu dem oben beschrieben Auswerteverfahren kommen jetzt nur solche Druckwerte p(t_j) (j: = 1, 2, 3 . . . N) für den der Bestimmung von K₂ und n₂ dienenden Geradenfit in Betracht, die innerhalb des schmalen Zeitfensters zwischen dem spätestmöglichen Ende der Verbrennung und dem Öffnen des Auslaßventils aufgezeichnet wurden. Nach Einsetzen der so bestimmten Paramter n₂ und K₂ beschreibt Gleichung (5) wieder denjenigen Druckverlauf p₂(t), der bei fehlender Verbrennung im gesamten Hochdruckteil des Arbeitszyklus im Zylinder herrschen würde, wobei die Extrapolation allerdings auf einem erst nach dem Ende der Verbrennung gemessenen Datensatz beruht.

Die Fig. 2 zeigt den gemessenen Zylinderdruck p(t) in Abhängigkeit vom Brennraumvolumen V(t) während eines typischen Motorzyklus in doppeltlogarithmischer Darstellung. In diesem Diagramm sind die für die Bestimmung der Parameter n_i und K_i (i = 1, 2) relevanten und innerhalb eines vor bzw. nach dem Verbrennungs vorgang liegenden Zeit- bzw. Kurbelwinkelfensters gemessenen Druckwerte p(t) durch Kreise, die übrigen Meßwerte durch Kreuze markiert. Die ebenfalls dargestellten Geraden repräsentieren die oben angegebenen Polytropen p₁(t) bzw. p₂(t), die sich nicht nur in ihrer Höhe, sondern im allgemeinen auch in ihrer durch die Exponenten n₁ bzw. n₂ gegebenen Steigung unterscheiden. Dies liegt vor allem daran, daß die Verbrennung die Zusammensetzung des Gasgemisches verändert und die erheblich höheren Temperaturen einen größeren Wärmeverlust bedingen. Trotz der daraus resultierenden Unterschiede weichen die Konstanten nur unwesent lich voneinander ab. Man kann daher in guter Näherung von der Beziehung n₁ = n₂ = n ausgehen.

Für den Fall gleicher Exponenten werden die Polytropen p₁(t) und p₂(t) im doppeltlogarithmischen Diagramm der Fig. 2 durch zwei parallele Geraden dargestellt. Bezeichnet man mit S wieder den relativen Massenanteil an Kraftstoff, der innerhalb des ausgewählten Arbeitszyklus zu einem bestimmten Zeitpunkt bereits verbrannt ist, bezogen auf die insgesamt während des Arbeitszyklus verbrennende Kraftstoffmenge, so entspricht die untere Gerade p₁ einem verbrannten Anteil S = 0, die obere Gerade p₂ einem verbrannten Anteil S = 1.

Die in Fig. 2 gestrichelt dargestellte Gerade

log(p(V)) = log{1/2 . (K₁ + K₂)} - n . logV (6)

kann man daher einem verbrannten Kraftstoffanteil S = 0,5 zuordnen und für die Bestimmung eines Schätzwer tes ϕ_S für den Verbrennungsschwerpunkt heranziehen. Nach dem Ende des Arbeitszyklus wird festgestellt, welcher der in der zeitlichen Folge letzte Meßwert ϕ_u des Kurbelwinkels unterhalb der durch Gleichung (6) beschriebenen Geraden lag (also log(p) letztmalig kleiner als der Ausdruck (6)) und welches der erste Meßpunkt ϕ_o des Kurbelwinkels oberhalb dieser Geraden war (also log(p) größer als der Ausdruck (6)). Zwischen diesen beiden Kurbelwinkel liegt dann der gesuchte Schätzwert ϕ_S (ϕ_u < ϕ_S < ϕ_o) für den Verbrennungsschwerpunkt. Als Schnittpunkt der experimentell bestimmten Trajektorie von (log p, log V)-Paaren mit der Geraden (6) läßt er sich leicht durch eine lineare Interpolation berechnen.

Ausgehend von Gleichung (4) kann man wieder eine Schätzgröße S₂ für den Anteil verbrannten Kraftstoffs angeben und in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel ϕ auftragen. Die Beziehung

folgt aus (4), indem man die den maximalen Verbrennungsdruck repräsentierende Größe Max {p(t) - p₁(t)} durch die Differenz p₂(t) - p₁(t) der Polytropendrücke ersetzt und die Gleichung nach Multiplikation mit dem Faktor Vⁿ/Vⁿ unter Berücksichtigung von (1) und (5) umformt. Die Werte S₂(ϕ) liegen auf einer s-förmigen Kurve (vgl. Fig. 1), deren Schnittpunkt mit der waagrechten Geraden S₂ = 0,5 wieder den gesuchten Schätzwert ϕ_S für den Verbrennungsschwerpunkt liefert.

Die folgenden Ausführungen betreffen ein Verfahren, bei dem der gemessene Zylinderdruck p(t) und die Polytropendrücke p_i(t) während eines jeden Abtastzeitpunktes t_i miteinander verglichen und voneinander subtrahiert werden.

Seien t_i und t_i+1 zwei aufeinanderfolgende Abtastzeitpunkte und V_i bzw. V_i+1 die zugehörigen Brennraumvo lumina. Würde man nun zwischen den Kurbelwinkeln ϕ_i und ϕ_i+1 eine der Gleichung (1) entsprechende Polytropenbeziehung ansetzen, ergäbe sich für die fiktiven Druckwerte _i und _i+1 die Beziehung

_i+1 V n|i+1 = _iV_i ⁿ (8)

und daraus

_i+1 - _i = _i {(V_i/V_i+1)ⁿ - 1} (9)

Durch den Einfluß der Verbrennung weicht die an den Abtastpunkten t_i bzw. t_i+1 tatsächlich gemessene Druckdifferenz p_i+1 - p_i aber von der in (9) angegebenen Druckdifferenz ab. Betrachtet man diese Abweichung als Maß für den Verbrennungsfortschritt im Kurbelwinkelintervall zwischen ϕ_i und ϕ_i+1 so erhält man als Schätzgröße S_3K für den bis zum Kurbelwinkel ϕ_K verbrannten Kraftstoffanteil:

Der erste in dieser Gleichung verwendete Druckwert p₀ muß hierbei innerhalb des zwischen dem Schließen des Einlaßventils und dem frühestmöglichen Einsetzen der Verbrennung im Zylinder liegenden Zeitfenster abgetastet worden sein; der letzte verwendete Druckwert p_N innerhalb des zwischen dem spätestmöglichen Ende der Verbrennung und dem Öffnen des Auslaßventils liegenden Zeitfensters gemessen werden.

Ebenso wie schon aus den Gleichungen (4) oder (7) läßt sich auch aus dem Ausdruck (10) eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung der Größe S_3K über den Kurbelwinkel ϕ gewinnen. Der Schnittpunkt der Wertepaa re (S_3K(ϕ_i), ϕ_i) mit der waagrechten Geraden S_3K = 0,5 liefert dann wiederum den gesuchten Schätzwert ϕ_S des Verbrennungsschwerpunkts.

Die bisher beschriebenen Verfahren dienen der Erzeugung eines Regelsignals für den Zündwinkel in Betriebs bereichen des Verbrennungsmotors, in denen die Optimierung des Wirkungsgrades von besonderer Bedeutung ist. Demzufolge stand die Gewinnung von Größen im Vordergrund, die eine starke Korrelation mit dem thermodynamischen Verbrennungsschwerpunkt aufweisen. Es ist jedoch ohne weiteres möglich, diese Verfah ren auch zur Erzeugung anderer Arten von Korrektursignalen einzusetzen. Diese Signale können dann im Rahmen fortgeschrittener Motormanagementsysteme dazu beitragen, das Prinzip der Wirkungsgradoptimie rung zu ergänzen. So ist es denkbar, neben dem einem Anteil S = 0,5 verbrannten Kraftstoffs zugeordneten Kurbelwinkel auch Kurbelwinkel für andere verbrannte Anteile s zu bestimmen und beispielsweise als Kenngrö ße des Verbrennungsbeginns (S ≲ 0,05) oder des Verbrennungsendes (S ≳ 0,95) zu verwenden. Diese beiden Kenngrößen dürften für die Adaption der Zündwinkel-Vorsteuerung in solchen Betriebsbereichen des Motors von Interesse sein, in denen die Klopfgrenze oder die Einhaltung bestimmter Abgasgrenzwerte von entscheiden der Bedeutung sind.

Zum anderen kann es sinnvoll sein, die Größe des Nenners in den Gleichungen (4), (7) und (10) als Kriterium für eine vollständige Verbrennung heranzuziehen. Bei unvollständiger Verbrennung oder Zündaussetzern soll ten diese Nenner nämlich deutlich kleiner sein als unter normalen Umständen. Es eröffnet sich somit die Möglichkeit, eine unvollständige Verbrennung bzw. Zündaussetzer zylinderselektiv zu erkennen und durch eine entsprechende Änderung des Zündzeitpunkts zu unterdrücken.

Bei der Bestimmung des Schätzwertes ϕ_S für den Verbrennungsschwerpunkt ist es zunächst notwendig, alle Druckmeßwerte p(t) vor deren Weiterverarbeitung zu logarithmieren. Diese Operation bedingt einen nicht unerheblichen Rechenaufwand. Außerdem muß eine eventuell vorhandene Nullpunktsdrift des Drucksensors vor dem Logarithmieren eliminiert werden, um die beiden oberen Kurvenäste in Fig. 1 weiterhin durch Geraden beschreiben zu können. Eine einfache Eliminierung der Nullpunktsdrift ist nur möglich, wenn man den Absolut wert des Zylinderdrucks für einen Kurbelwinkel kennt. Ohne eine solche Kenntnis müßte den beschriebenen Verfahren ein Algorithmus zur Berechnung der Nullpunktdrift vorangestellt werden. Dieser Algorithmus könn te sich daran orientieren, daß der Zylinderdruck bei geschlossenen Ventilen außerhalb der Brennphase einem Adiabatenverlauf folgen muß. Derartige Verfahren zur Bestimmung eines Offsets sind beispielsweise aus /3/ bekannt. Zum anderen wäre es möglich, die Nullpunktsdrift rein rechnerisch durch den Wert zu definieren, den man von den gemessenen Druckwerten p(t) subtrahieren muß, um bei der eigentlichen Auswertung eine befriedigende Anpassung der durch (1) und (5) beschriebenen Geraden an die Meßwerte zu gewährleisten. Dies erfordert jedoch einen erheblich höheren Rechenaufwand, was die angestrebte Echtzeitfähigkeit der beschrie benen Verfahren gefährten könnte.

Im folgenden soll daher nicht das mit einem Offset behaftete Drucksignal p(t), sondern ausschließlich das Brennraumvolumen V(t) derart transformiert werden, daß man für die Polytropendrücke p₁(t) und p₂(t) jeweils eine lineare Beziehung erhält. Besonders einfach gestaltet sich diese Transformation für hinreichend genau bekannte Werte der Polytropenexponenten n₁ bzw. n₂ die im folgenden vor und nach der Verbrennung densel ben Wert n₁ = n₂ = n haben sollen.

Die angesprochene Transformation läßt sich in einfacher Weise veranschaulichen, wenn man den gemessenen Zylinderdruck p(t) in Abhängigkeit von dem kurbelwinkelabhängigen Ausdruck

x(t): = {V(t)}^-n (11)

aufträgt. Die Größe V(t) bezeichnet hier wieder das in Einheiten von (V_OT + V_H) gemessene und durch Gleichung (2) beschriebene Brennraumvolumen. Für n = 1,3 erhält man den in Fig. 3 gezeigten Druckverlauf, wobei die innerhalb der beiden bereits genannten Zeit bzw. Kurbelwinkelfenster erfaßten Meßwerte p(t) durch Rauten, die übrigen Meßwerte durch Kreuze markiert sind. Deutlich zu erkennen ist ein Offset p₀ von etwa 1 bar. Falls man die Empfindlichkeit K₀ und den Offset p₀ des Drucksensors während eines Arbeitstaktes als konstant betrachten kann, läßt sich das Ausgangssignal y(t) des Drucksensors bei einer als annähernd linear vorausgesetzten Signalübertragung durch

y(t) = K₀ . {p(t) + p₀} (12)

beschreiben. Die Gleichungen (1) und (5) für den Polytropendruck vor bzw. nach der Verbrennung liefern dann unter Verwendung von (11) den Signalverlauf

y₁(t) = K₀K₁ . x + K₀p₀ (13)

und

y₂(t) = K₀K₂ . x + K₀p₀ (14)

Es sind dies zwei Geraden, die sich auf der y-Achse schneiden (s. Fig. 3). Die Steigungen K₀K₁ bzw. K₀K₂ und den Schnittpunkt K₀p₀ erhält man durch einen Geradenfit. Hierbei werden nur solche Ausgangssignale y(t) des Drucksensors herangezogen, die innerhalb des zwischen dem Schließen des Einlaßventils und dem frühestmögli chen Beginn der Verbrennung liegenden Kurbelwinkelfensters bzw. zwischen dem spätestmöglichen Verbren nungsende und dem Öffnen des Auslaßventils liegenden Zeit- bzw. Kurbelwinkelfensters registriert wurden.

Aus der Lage eines Signalwertes y(t) zwischen den gefundenen Polytropen (13) und (14) kann wieder auf den Fortschritt des Verbrennungsvorgangs geschlossen werden. In Anlehnung an (4) und (5) läßt sich unter Berück sichtigung von (13) und (14) eine Durchbrennfunktion S(t) mit

definieren. In dieser Formel ist der Zähler dem momentanen Verbrennungsdruck und der Nenner dem Maximal wert des Verbrennungsdrucks proportional. Nach dem Ende eines Arbeitszyklus wird das letzte Element S_i(t_i) mit einem Wert

S(t_i) < 0.5 . (K₁K₂ - K₀K₁) (16)

gesucht. Aus diesem und dem der Bedingung

S(t_i + 1) < 0.5 . (K₁K₂ - K₀K₁) (17)

genügenden Element S(t_i+1) sowie den entsprechenden Kurbelwinkeln kann der Schätzwert ϕ_S für den Ver brennungsschwerpunkt in einfacher Weise durch eine lineare Interpolation berechnet werden.

Das oben beschriebene Verfahren hat den Vorteil, das man für die Bestimmung der Durchbrennfunktion S(t) weder die Empfindlichkeit K₀ noch den Offset p₀ des Drucksensors kennen muß. Diese Größen werden vielmehr im Rahmen des Auswerteverfahrens bestimmt. Außerdem liefert das Verfahren bereits nach Ablauf eines einzigen Motorzyklus einen Schätzwert ϕ_S für den Verbrennungsschwerpunkt. Die tatsächliche Adaption der Zündwinkel-Vorsteuerung ergibt sich dann durch Mittelung der den einzelnen Zyklen zugeordneten Schätzwer te. Die Mittelungszeit ist hierbei geeignet vorzugeben. Wählt man sie zu kurz, wird der voreingestellte Zündwin kel unnötig stark von den statistischen Schwankungen des Verbrennungsvorgangs beeinflußt. Eine Verringe rung des Wirkungsgrades der Verbrennung und eine Erhöhung der Laufunruhe des Motors wären die Folge. Wählt man die Mittelungszeit zu lange, reagiert die Zündwinkelsteuerung nicht mehr schnell genug auf die den optimalen Zündwinkel beeinflussenden physikalischen Parameter, was sich insbesondere bei schnellen Last wechseln nachteilig auswirkt.

Die beschriebene Möglichkeit der Eliminierung sensorspezifischer Verzerrungen in den ausgewerteten Signa len muß sich nicht auf die von Motorzyklus zu Motorzyklus auftretenden Änderungen der Empfindlichkeit K₀ und der Nullpunktdrift p₀ des Drucksensors beschränken. In gewissem Umfang lassen sich auch zeitlich langsam ändernde Nichtlinearitäten des Sensors erfassen. Diese Nichtlinearitäten haben zur Folge, daß man das Sensorsi gnal y(t) als Funktion von x = {V(t)}^-n vor und nach der Verbrennung nicht mehr durch Geraden beschreiben kann. Prinzipiell ist es aber möglich, aus den beobachteten Abweichungen von der Geraden auf die während des jeweiligen Arbeitszyklus vorliegende Nichtlinearität zu schließen und deren Einfluß auf das gesuchte Ergebnis rechnerisch zu kompensieren. Wesentliche Voraussetzung für die on-line-Erfassung von Nichtlinearitäten des Drucksensors während des Motorbetriebes ist allerdings ein einem bekannten Gesetz folgender Druckverlauf. Ein solcher existiert aber bestenfalls in dem schmalen Kurbelwinkelfenster zwischen dem Schließen des Einlaß ventils und dem frühestmöglichen Beginn der Verbrennung sowie zwischen dem spätestmöglichen Verbren nungsende und dem Öffnen des Auslaßventils, wo die Gleichungen (1) und (5) näherungsweise gelten. Im allgemeinen treten jedoch während der Verbrennungsphase zum Teil erheblich höhere Drücke auf als innerhalb des durch die genannten Kurbelwinkelbereiche definierten Zeitfenster. Nichtlinearitäten des Drucksensors im Bereich höherer Drücke lassen sich meßtechnisch daher nur dann erfassen und eliminieren, wenn sie in einer einfachen Beziehung zu den bei niedrigeren Drücken beobachteten Nichtlinearitäten stehen.
/1/ Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, Robert Bosch GmbH, 19. Auflage 1984, S. 333 ff.
/2/ I. N. Bronstein, K. A. Semendjajew; Taschenbuch der Mathematik, Verlag Harm Deutsch, Zürich u. Frank furt, 11. Auflage 1971, S. 513-514
/3/ G. Roth, J. Glaser, G. Jurasek; Accurate Absolute Value at Piezoelectric Pressure Measurements; ISATA; Florenz 1988.

Claims

1. Verfahren zur Erzeugung eines Regelsignals für den Zündzeitpunkt einer Brennkraftmaschine, bei dem

- ein Zylinderdruck p(t) in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel ϕ(t) gemessen wird,
- ein durch die Kolbenbewegung im Zylinder hervorgerufener erster Druck p₁(t) ohne Berücksichtigung chemischer Energieumsetzungen zumindest während eines im Hochdruckteil des Maschinenzyklus vor dem Beginn der Verbrennung eines Kraftstoff-Luftgemischs liegenden ersten Zeitintervalls bestimmt wird und bei dem
- eine den Verbrennungsdruck repräsentierende erste Maßzahl M1 und eine den Maximalwert des Verbrennungsdrucks repräsentierende zweite Maßzahl M₂ aus dem Zylinderdruck p(t) und dem ersten Druck p₁(t) berechnet werden,

dadurch gekennzeichnet

- daß das Verhältnis S(ϕ): = M1/M2 gebildet wird,
- daß der Kurbelwinkel ϕ_S bestimmt wird, für den das Verhältnis S(ϕ) einen vorgegebenen Wert annimmt und
- daß die Abweichung des Kurbelwinkels ϕ_S von einem Sollwert zur Regelung des Zündzeitpunkts herangezogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Maßzahl M1 durch M1: = p(t) - p₁(t) und die zweite Maßzahl M2 durch M2: = Max{p(t) - p₁(t)} gegeben ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Druck p₁(t) durch die Gleichung
p₁(t) = K₁ . {V(t)}^-n1
beschrieben wird, wobei K₁ und n₁ Konstanten und V(t) ein Brennraumvolumen bezeichnen und daß der während des zwischen dem Schließen eines Einlaßventils und dem frühestmöglichen Beginn der Verbrennung liegenden ersten Zeitintervalls gemessene Zylinderdruck p(t) zur Bestimmung der Konstanten K₁ und n₁ herangezogen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitabhängigkeit eines durch eine Volumenänderung eines Verbrennungsproduktes hervorgerufenen zweiten Druckes p₂(t) bestimmt wird und daß die erste Maßzahl M1 durch M1: = p(t) - p₁(t) und die zweite Maßzahl M2 durch
M2: = Max{p₂(t) - p₁(t)}
gegeben ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Druck p₂(t) durch die Gleichung
p₂(t) = K₂ . (V(t)}^-n ₂
beschrieben wird und daß der während eines zwischen dem spä testmöglichen Ende der Verbrennung und dem Öffnen eines Aus laßventils liegenden zweiten Zeitintervalls gemessene Zylin derdruck p(t) zur Bestimmung der Konstanten K₂ und n₂ heran gezogen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß derselbe Wert n für die Konstanten n₁ und n₂ verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis
gebildet wird und daß ein Kurbelwinkel ϕ_S bestimmt wird, für den das Verhältnis S(ϕ) einen vorgegebenen Wert annimmt.

8. Verfahren zur Erzeugung eines Regelsignals für den Zünd zeitpunkt einer Brennkraftmaschine bei dem

- ein Zylinderdruck p(t) und ein Kurbelwinkel ϕ(t) zumindest während eines im Hochdruckteil des Maschinenzyklus vor dem Beginn der Verbrennung eines Kraftstoff-Luftgemischs lie genden ersten Zeitintervalls und während eines nach dem Verbrennungsende liegenden zweiten Zeitintervalls gemessen werden,
- das Verhältnis
berechnet wird, wobei p_i und p_i-1 die zu Zeiten t_i und t_i-1 gemessenen Drücke, V_i und V_i-1 die entsprechenden Brennraumvolumina, p₀ einen innerhalb des ersten Zeitintervalls gemessenen ersten Zylinderdruck, p_N einen während des zweiten Zeitintervalls gemessenen letzten Zylinderdruck, K und N natürliche Zahlen und n eine Konstante bezeichnen,
- ein Kurbelwinkel ϕ_S bestimmt wird, für den das Verhältnis S(ϕ) einen vorgegebenen Wert annimmt und
- die Abweichung des Kurbelwinkels ϕ_S von einem Sollwert zur Regelung des Zündzeitpunkts herangezogen wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderdruck p(t) nur zu diskreten Zeiten t_i gemes sen wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kurbelwinkel ϕ_S bestimmt wird, für den das Verhältnis S(ϕ) einen Wert zwischen Null und Eins annimmt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert dem optimalen Verbrennungsschwerpunkt der Brennkraftmaschine entspricht.