DE10001487A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung und/oder Steuerung und/oder Regelung von Brennkraftmaschinen - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung und/oder Steuerung und/oder Regelung von Brennkraftmaschinen vorgeschlagen. Hierzu werden Zahnimpulse einer mit der Kurbelwelle und/oder Nockenwelle der Brennkraftmaschine verbundenen Inkrementgeberanordnung (10 bis 15) zur Drehwinkelerfassung verwendet. Über festlegbare Drehwinkelbereiche oder an festlegbaren Drehwinkeln erfasste Motorparameter, z. B. Drehzahl, Zylinderdruck, Zylinderwandtemperatur, werden mit entsprechenden Motorparametern verglichen, die in wenigstens einem vorangegangenen Zyklus in entsprechenden Drehwinkelbereichen oder Drehwinkeln erfasst wurden. Durch den Vergleich festgestellte Abweichungen werden zur Erkennung von Laständerungen und/oder Längsdynamikanregungen und/oder zur Motordiagnose oder -regelung eingesetzt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung und/oder Steuerung und/oder Regelung von Brennkraftmaschinen, bei dem Zahnimpulse einer mit der Kurbelwelle und/oder Nockenwelle der Brennkraftmaschine verbundene Inkrementgeberanordnung zur Dreh­ winkelerfassung verwendet werden.

Aus der DE 195 40 675 C1 ist ein Verfahren zur Drehmomentschät­ zung mittels Drehzahlauswertung an der Kurbelwelle einer Brenn­ kraftmaschine bekannt. Dort werden ebenfalls gemessene Zahnsei­ ten einer Inkrementgeberanordnung zur Erfassung der Kurbelwel­ lengeschwindigkeit eingesetzt. Die Schätzung des Drehmoments erfolgt in aufwendiger Weise auf der Basis eines physikalisch- mathematischen Modells, wobei Störeinflüsse korrigiert und eine betriebspunktabhängige Filterung vorgenommen wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein einfaches Verfahren zur Überwachung von Motorparametern zu schaffen, durch das nicht nur eine exakte Motordiagnose, son­ dern auch eine exakte und schnelle Steuerung und Regelung von Vorgängen in der Brennkraftmaschine möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des An­ spruchs 1 gelöst.

Bei Regelungen wird erfindungsgemäß ein minimaler Phasenversatz und eine hohe Selektivität für den Verbrennungsverlauf er­ reicht. Neben einer exakten Motordiagnose ist eine Korrektur von Bauteilstreuungen an Injektoren und der Verbrennungsausbildung möglich, sowie ein schnellstmögliches Erkennen und phasen­ richtiges Reagieren auf Laständerungen, z. B. beim Anfahren, Zu­ schaltung von Verbrauchern wie Klimaanlage, Generator usw. Wei­ terhin können Längsdynamikanregungen wie Fahrbahneinflüsse, Ru­ ckeln und Lastwechselschläge exakt erkannt und ausgeregelt wer­ den. Motorparameter, wie beispielsweise die Temperatur oder der Druck können einzelnen Zylindern oder Gruppen von Zylindern ar­ beitszykluswinkelabhängig mit dem Motor drehzahlabhängiger Zeitverschiebung zugeordnet werden.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Verfahrens möglich.

Die Drehzahl wird zweckmäßiger Weise einfach und kostengünstig durch Zeitmessung zwischen Zahnimpulsen erfasst, wozu keine zu­ sätzliche Hardware oder zusätzliche Sensoren erforderlich wä­ ren. Der Zylinderdruck und/oder die Zylinderwandtemperatur kön­ nen mittels mehrerer entsprechend angeordneter Sensoren den einzelnen Zylindern zugeordnet erfasst und als Korrektur- oder zusätzliche Überwachungsgrößen eingesetzt werden. Dabei sind diese Sensoren in vorteilhafter Weise in oder an der Zylinder­ kopfdichtung angeordnet, so dass ihre Montage ohne Beeinträch­ tigung der Motorkonstruktion möglich ist, was auch für Aus­ wechslungen im Falle von Defekten oder Fehlfunktionen der Fall ist.

Die erfassten Motorparameter über den festlegbaren Drehwinkel­ bereichen oder Drehwinkeln werden in vorteilhafter Weise abge­ speichert, um als Vergleichsgrößen dienen zu können. Hierzu werden vorzugsweise Erwartungsbereiche gebildet, wobei geprüft wird, ob die nachfolgend erfassten Motorparameter innerhalb der Erwartungsbereiche liegen. Zweckmäßigerweise werden die Mess­ werte dabei abhängig von Vorgängerwerten mit einem Schätzfens­ ter extrapoliert. Sie können auch um kennfeldabhängige Werte korrigiert werden, insbesondere in Abhängigkeit der Drehzahl, des Drehmoments, des Drucks und/oder der Temperatur.

Die erfassten Motorparameter können auch in vorteilhafter Weise als Eingangsgrößen für Kennfelder, insbesondere verbrennungs­ spezifische Kennfelder verwendet werden.

Die vorstehend genannte Aufgabe der Erfindung wird auch durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst, wo­ bei sich die bereits im Anspruch 1 genannten Vorteile ergeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dar­ gestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der Er­ findung und

Fig. 2 eine in einer Zylinderkopfdichtung integrierte Sensor­ anordnung.

Zur Drehzahl- und Drehwinkelerfassung ist eine Inkrementge­ beranordnung vorgesehen, die aus einem mit der Kurbelwelle ei­ ner im übrigen nicht dargestellten Brennkraftmaschine verbunde­ nen oder in Wirkverbindung stehenden Zahnrad 10 sowie einer mit der ebenfalls nicht dargestellten Nockenwelle der Brennkraftma­ schine verbundenen oder in Wirkverbindung stehenden Bezugsmar­ kenscheibe 11 besteht. Das Zahnrad 10 besitzt beispielsweise 58 Zähne und eine die Breite von zwei Zähnen aufweisende Lücke 12. Eine Bezugsmarke 13 bzw. ein Bezugssegment an der Bezugsmarken­ scheibe 11 ermöglicht eine Zylinderzuordnung über einen Ar­ beitszyklus von 720°, also zwei Umdrehungen, für das Beispiel einer Vier-Zylinder-Brennkraftmaschine. Das Zahnrad 10 wird in­ duktiv oder optisch durch ein Sensorelement 14 und die Bezugs­ markenscheibe 11 durch ein Sensorelement 15 abgetastet.

Die Zeiten zwischen den im Sensorelement 14 erzeugten Zahntrig­ gerimpulsen werden in einer Drehzahlstufe 16 z. B. per Zeitzäh­ ler, der als Mikroprozessor ausgebildet sein kann, erfasst und als solche oder inverse Drehzahlwerte in einem Speicher 17 über einen Arbeitszyklus abgespeichert, der zwei Umdrehungen bzw. 720° umfasst. Die Zeiten bzw. Drehzahlwerte zwischen den zwei mal 58 Zahntriggerimpulsen ergeben somit 116 abgespeicherte Werte pro Arbeitszyklus.

Am Ende des Arbeitszyklus werden die gespeicherten Werte durch ein Signal des Sensorelements 15 in einen zweiten Speicher 18 übernommen. Im Zyklus der Zahntriggerimpulse werden nun die neu in den Speicher 17 eingespeicherten Werte mit den Werten im Speicher 18 in einer Vergleichsstufe 19 verglichen, wobei je­ weils Zeiten bzw. Drehzahlwerte sich entsprechender Drehwinkel miteinander verglichen werden. Die Abweichungen werden in einer später noch zu erläuternden Auswerteeinrichtung 20 ausgewertet.

Zwei weitere Speicher 21, 22 in Verbindung mit einer entspre­ chend geschalteten Vergleichsstufe 23 dienen zur Erfassung von Zylinderwandtemperaturen T, die durch einen oder mehrere Tempe­ ratursensoren 24 erfasst werden. Die Temperaturwerte werden im Zyklus der Zahntriggerimpulse gespeichert und ausgewertet, wie dies im Zusammenhang mit den Drehzahlsignalen bereits beschrie­ ben wurde. Der Ausgang der Vergleichsstufe 23 ist wiederum mit der Auswerteeinrichtung 20 verbunden.

Schließlich dienen noch zwei weitere Speicher 25, 26 mit einer entsprechend geschalteten Vergleichsstufe 27 zur Speicherung und Auswertung von Druckwerten, die durch einen oder mehrere Drucksensoren 28 erfasst und wiederum im Zyklus der Zahntrig­ gerimpulse gespeichert und ausgewertet werden. Hierbei können die Druckwerte aller vier Zylinder bzw. weiterer Zylinder, falls vorhanden, individuell ausgewertet werden. Auch hier ist wiederum der Ausgang der Vergleichsstufe 27 mit einem Eingang der Auswerteeinrichtung 20 verbunden.

In der Auswerteeinrichtung 20 werden ausgehend von den jeweili­ gen Messwerten Erwartungswerte bzw. Erwartungsbereiche gebil­ det. Hierdurch geht man vom jeweiligen Messwert aus und extrapoliert abhängig vom Vorgängerwert eines vorangegangenen Zyklus mit einem Schätzfenster, wobei zusätzlich noch eine Korrektur um kennfeldabhängige Werte möglich ist. Hierzu ist ein Kennfeld 29 mit der Auswerteeinrichtung 20 verbunden, wobei die kenn­ feldabhängige Korrektur in Abhängigkeit der Drehzahl (n) und des Drehmoments (Md) bzw. alternativ des Drucks (p) und der Temperatur (T) erfolgen kann. Die entsprechenden Messwerte müs­ sen der Auswerteeinrichtung 20 selbstverständlich ebenfalls zur Verfügung gestellt werden.

Die Auswerteeinrichtung 20 kann nun zur Motordiagnose herange­ zogen werden. Beispielsweise kann die Kompression und die me­ chanische Bewegung überwacht werden. Eine Möglichkeit besteht darin, beispielsweise den Kurbelwinkeln 78° bis 166° entspre­ chende Summenzahnzeiten oder Drehzahlwerte als Ausgangsbasis zu nehmen und einen Erwartungsbereich für die entsprechenden Werte bei 258° bis 346° bzw. 438° bis 526° zu bilden. Dieser ermög­ licht den Vergleich der Kompression zwischen den einzelnen Zy­ lindern und eine Erkennung einer absinkenden Kompression.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, eine Korrektur von Bau­ teilstreuungen an Injektoren und der Verbrennungsausbildung vorzunehmen. Hierzu nimmt man beispielsweise den Kurbelwinkeln -6° bis +72° entsprechende Summenzahnzeiten bzw. Drehzahlwerte sowie optional zusätzlich entsprechende Druck- und Temperatur­ werte als Ausgangsbasis und bildet jeweils einen Erwartungsbe­ reich für die entsprechenden Werte bei 174° bis 252° sowie 354° bis 412° Kurbelwinkel.

Als weitere Variante können in der Auswerteeinrichtung 20 Last­ änderungen z. B. beim Anfahren, Zuschaltung von Verbrauchern wie Klimaanlage, Generator usw. schnellstmöglich erkannt und pha­ senrichtige Reaktionen eingeleitet werden, indem die Zahnzeiten bzw. Drehzahlwerte mit den entsprechenden Werten bei x + 180° bzw. x + 360° Kurbelwinkel verglichen werden, um zahnteilungs- und verbrennungsbedingte Fehlmessungen auszuschließen. Schließ­ lich kann die Auswerteeinrichtung 20 auch noch dazu dienen, Längsdynamikanregungen, wie Fahrbahneinflüsse, Ruckeln und Lastwechselschläge usw. durch Vergleich der Zahnzeiten bzw. Drehzahlwerte mit den entsprechenden Erwartungswerten bei x + 180° bzw. x + 360° Kurbelwinkel zu erkennen und auszuregeln, um zahnteilungs- und verbrennungsbedingte Fehlmessungen zu verrin­ gern.

Je nach Art der Motordiagnose oder Regelung kann unter Umstän­ den auch auf die Erfassung einzelner der beschriebenen Motorpa­ rameter, Drehzahl, Druck und Temperatur verzichtet werden.

Die Bildung der Erwartungsbereiche kann prinzipiell auch in be­ stimmten Speichern folgen, so dass in den Vergleichsstufen gleich geprüft werden kann, ob die Messwerte noch in den Erwar­ tungsbereichen liegen.

Die erfasste (Brennraum-)Temperatur und die Zylinderdruckwerte können neben der über 180° Kurbelwinkel gemittelten Drehzahl, dem Motormoment und den Zylinderdrücken als Eingangsgrößen für z. B. verbrennungsspezifische Kennfelder verwendet werden, z. B. für das Kennfeld 29.

In Fig. 2 ist eine Zylinderkopfdichtung 30 für eine Vier- Zylinder-Brennkraftmaschine dargestellt. Neben den vier Zylin­ deröffnungen 31 sind verschiedene Durchgangslöcher 32 für Zy­ linderkopfschrauben vorgesehen. In dieser Zylinderkopfdichtung 30 sind vier der beschriebenen Drucksensoren 28 an den Zylin­ deröffnungen 31 sowie zwischen den Zylinderöffnungen 31 sechs der beschriebenen Temperatursensoren 24 in der Zylinderkopf­ dichtung 30 integriert. Die Zahlenanordnung der Drucksensoren und Temperatursensoren kann ja nach Bedürfnissen gewählt wer­ den. Eine solche Anordnung von Drucksensoren und Temperatursen­ soren in der Zylinderkopfdichtung 30 weist unabhängig vom be­ schriebenen Anwendungsfall und Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 eine eigenständige erfinderische Bedeutung auf. Dabei ist die Art der Anbringung oder Integration von Sensoren in der Zylin­ derkopfdichtung 20 prinzipiell aus der DE 41 03 327 A1, der DE 42 07 403 A1, der DE 43 00 237 C1 und der DE 40 15 109 A1 be­ kannt.

Die Drucksensoren 28 und Temperatursensoren 24 sind durch eben­ falls in der Zylinderkopfdichtung 30 integrierte Leitungen mit einer Anschlussleiste 33 an einem Randbereich der Zylinderkopf­ dichtung 30 verbunden. Hierdurch können die elektrischen Ver­ bindungen mit sämtlichen Sensoren durch einen einzigen nicht dargestellten Stecker bzw. ein einziges Kupplungselement herge­ stellt werden, das beispielsweise mit der in Fig. 1 darge­ stellten Elektronik verbunden wird.

Den einzelnen Zylindern kann im einfachsten Falle je ein ein­ zelner, ein Paar oder beliebig gruppierte Temperatursensoren und Drucksensoren in der Zylinderkopfdichtung 30 zugeordnet werden. Diese können arbeitszykluswinkelabhängig mit motordreh­ zahlabhängiger Zeitverschiebung (um dem thermischen Difussi­ onsprozess Zylinder zu Messort Rechnung zu tragen) abgetastet und somit entsprechende Temperatur- und Druckwerte im jeweili­ gen Motorsteuergerät zur Verfügung gestellt werden. Damit kön­ nen neben der beschriebenen Erkennung von Injektore­ xemplarstreuungen oder -fehlern auch verdichtungsbeeinflussende Fehler kompensiert und Notmaßnahmen eingeleitet werden. Weiter­ hin ergeben sich verbrennungsrelevante Korrekturmöglichkeiten von Vor- und Haupteinspritzmengen und -Spritzbeginnzeitpunkt. Weiterhin kann eine Kraftstoffheizwertsensierung erzielt wer­ den, so dass z. B. der Betrieb mit RME (Rapsöl-Methyl-Ester) so­ wie anderer alternativer Kraftstoffe sowie schlechtere Kraft­ stoffqualitäten erkannt und entsprechend abgasverbessernde und motorlebensdauerverlängernde Maßnahmen eingeleitet werden kön­ nen.

Claims (14)

1. Verfahren zur Überwachung und/oder Steuerung und/oder Rege­ lung von Brennkraftmaschinen, bei dem Zahnimpulse einer mit der Kurbelwelle und/oder der Nockenwelle der Brennkraftmaschine verbundenen Inkrementgeberanordnung (10 bis 15) zur Drehwinkel­ erfassung verwendet werden, wobei über festlegbare Drehwinkel­ bereiche oder an festlegbaren Drehwinkeln erfasste Motorparame­ ter (n, t, T, p) mit entsprechenden Motorparametern verglichen werden, die in wenigstens einem vorangegangenen Zyklus in ent­ sprechenden Drehwinkelbereichen oder Drehwinkeln erfasst wur­ den, und wobei durch den Vergleich festgestellte Abweichungen zur Erkennung von Laständerungen und/oder Längsdynamikanregun­ gen und/oder zur Motordiagnose und/oder Motorsteuerung und -regelung eingesetzt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorparameter die Drehzahl (n) und/oder der Zylinderdruck (p) und/oder die Zylinderwandtemperatur (T) ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl (n) jeweils durch Zeitmessung zwischen Zahnimpulsen erfasst wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderdruck (p) und/oder die Zylinderwandtemperatur (T) mittels mehrerer Sensoren (28, 24) den einzelnen Zylindern zugeordnet erfasst wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Zylinderdruck (p) und/oder die Zylinderwandtemperatur (T) durch in oder an der Zylinderkopfdichtung (30) angeordnete Sensoren (24, 28) erfasst wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erfassten Motorparameter über den festlegbaren Drehwinkelbereichen oder Drehwinkeln abgespeichert werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus den erfassten Motorparametern Erwar­ tungsbereiche gebildet werden, wobei geprüft wird, ob die nach­ folgend erfassten Motorparameter innerhalb dieser Erwartungsbe­ reiche liegen.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung der Erwartungsbereiche die Messwerte abhängig von Vor­ gängerwerten mit einem Schätzfenster extrapoliert werden.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwerte um kennfeldabhängige Werte korrigiert wer­ den, insbesondere in Abhängigkeit der Drehzahl, des Drehmo­ ments, des Drucks und/oder der Temperatur.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass erfasste Laständerungen und/oder Längsdy­ namikanregungen kompensiert, insbesondere ausgeregelt werden.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erfassten Motorparameter als Eingangs­ größen für Kennfelder, insbesondere verbrennungsspezifische Kennfelder verwendet werden.

12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Zahnimpulse erzeugende Inkrementgeberanordnung (10 bis 15) zur drehwinkel­ abhängigen Erfassung der Sensorsignale wenigstens eines Sensors (24, 28) für Motorparameter und/oder der aus den Zahnimpulsen abgeleiteten Drehzahlwerte einer Drehzahlstufe (16), Speicher­ mittel (17, 18, 21, 22, 25, 26) zur Speicherung von Drehwinkeln oder Drehwinkelbereichen zugeordneten Drehzahlwerten und/oder anderen Motorparametern (p, T) und Vergleichsmitteln (19, 23, 27) zum Vergleich von solchen Drehzahlwerten (n) und/oder ande­ ren Motorparametern (p, T) mit entsprechend zuvor gespeicherten Werten aus wenigstens einem vorangegangenen Zyklus.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass Sensoren (28, 24) für den Zylinderdruck und/oder die Zylinder­ wandtemperatur vorgesehen sind.

14. Vorrichtung insbesondere nach Anspruch 13, dadurch gekenn­ zeichnet, dass wenigstens ein Sensor (28) für den Zylinderdruck und wenigstens ein Sensor (24) für die Zylinderwandtemperatur in oder an der Zylinderkopfdichtung (30) integriert sind.