DE10008552B4

DE10008552B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Auswertung eines Signals eines Ionenstrom-Sensor einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10008552B4
Application number: DE10008552A
Authority: DE
Inventors: Franz Raichle; Joachim Berger; Rainer Dr. Strohmaier; Wolfgang Fischer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-02-24
Filing date: 2000-02-24
Publication date: 2007-01-04
Anticipated expiration: 2020-02-25
Also published as: GB2363846B; DE10008552A1; GB2363846A; US6666069B2; ITMI20010181A1; US20010017055A1; GB0103919D0

Abstract

Verfahren zur Auswertung eines Signals eines Ionenstromsensors einer Brennkraftmaschine, wobei ausgehend von einer Signalgröße des Ionenstromsensors, nämlich den während eines Verbrennungszyklusses maximal fließenden Ionenstroms oder dem zeitlichen Integrals über das Stromsignal während jeden Verbrennungszyklusses, und einer Größe, die den Beginn der Kraftstoffeinspritzung oder den Verbrennungsbeginn charakterisiert, eine Momentengröße, die das von der Brennkraftmaschine bereitgestellte Moment charakterisiert, bestimmbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Auswertung eines Signals eines Ionenstrom-Sensor einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Bekannt ist es, daß zur Erfassung des Drehmoments einer Brennkraftmaschine die Torsion einer Antriebswelle gemessen wird. Dabei wird ein resultierendes Drehmoment ermittelt, bei dem das vom Motor abgegebene Drehmoment um die Beiträge, die z.B. für Nebenaggregate verbraucht werden, vermindert ist.

Aus der EP 0190206 ist eine Einrichtung zur Messung und Regelung von Betriebsdaten von Verbrennungsmotoren bekannt. Dabei wird unter Ausnutzung der Ionisierung der Verbrennungsgase bei hohen Temperaturen über eine Messung der elektrischen Leitfähigkeit der teilweise ionisierten Verbrennungsgase mittels einer Spannung ein Meßsignal erzeugt, das z.B. zur Regelung der Abgasrückführung verwandt werden kann.

Der Nachteil des Stands der Technik besteht bei der Messung der Torsion der Antriebswelle darin, daß Schwingungen auftreten, die bei der Auswertung zu Ungenauigkeiten führen.

Aus der DE 196 47 161 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine, mittels eines Regelverfahrens zur Optimierung des Brennverlaufs bekannt. Hierzu werden bestimmte Betriebskenngrößen derart eingeregelt, dass die Brennkraftmaschine das maximale Drehmoment abgibt. Als Regelgrößen dienen entweder der Ionenstrom oder die Spitzenwerterscheinungszeit des Ionenstroms. D. h. ein Regler regelt den Ionenstrom auf sein Maximum oder die Spitzenwerterscheinungszeit auf einen optimalen Wert. Ein Sensor erfasst den Ionenstrom bzw. die Spitzenwerterscheinungszeit. Abhängig von dem Vergleich mit dem Sollwert bildet der Regler ein Signal zur Ansteuerung eines entsprechendes Stellgliedes.

Aus der US 5,676,113 ist bekannt, dass bei einer Brennkraftmaschine das Drehmoment von dem Verlauf des Ionenstroms und verschiedenen mechanischen Konstanten des Motors, wie beispielsweise der jeweiligen Kurbelwellenstellung abhängt.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Bestimmungen des vom Motor abgegebenen mittleren Drehmoment (Gasmoment) besser und genauer zu erfassen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Vorgehensweise hat den Vorteil, daß das bei der Verbrennung erzeugte Drehmoment (Gasmoment) direkt aus dem Signal des Ionenstrom-Sensors und damit einer innermotorischen Größe bestimmt wird.

Unter dem Begriff Gasmoment ist das gesamte Drehmoment zu verstehen, das durch die Verbrennung im Zylinder erzeugt wird. Dieses teilt sich auf in das Radmoment, das letztlich für den Antrieb zur Verfügung steht und Momente, die aufgrund von Reibungsverlusten und für die Nebenaggregate aufzubringen sind.

Während das Radmoment für das Fahrverhalten maßgeblich ist, ist die Kenntnis des Gasmomentes für den Motorschutz von Bedeutung, um eine thermische Überlastung durch zu große Leistungsabgabe zu verhindern.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß der Drehmomentbeitrag, der für die Nebenaggregate aufgebracht werden muß, ebenfalls berücksichtigt wird und damit die tatsächliche vom Motor erbrachte Nennleistung bestimmt werden kann. Bei einer Bestückung sämtlicher Zylinder mit eines Ionenstrom-Sensors können sowohl das mittlere Gasmoment als auch die zylinderbezogenen Einzelmomente bestimmt werden. Diese können als Eingangsgrößen eines Verfahrens zur Zylindergleichstellung verwendet werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sei nachfolgend beschrieben.

Es zeigen:
Die 1 ein Blockdiagramm wesentlicher Elemente, 2 das Signal des Ionenstrom-Sensors als Funktion des Spritzbeginns und 3 das Signal des Ionenstrom-Sensors bei einem definierten Spritzbeginn als Funktion der eingespritzten Kraftstoffmenge.
Die 1 zeigt mit dem Bezugszeichen 20 eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine. Die Zylinder sind symbolisch dargestellt und mit dem Bezugszeichen 21 gekennzeichnet. Die Drehzahl der Brennkraftmaschine 20 wird über den Drehzahlsensor N vorzugsweise mittels eines induktiven Aufnehmer oder über ein Hall-Element oder über einen Magnetoresistiven Aufnehmer oder dergleichen erfasst. Das Signal des Drehzahlsensors N wird einem elektronischen Steuergerät 23 zur Steuerung von wenigstens der Einspritzung von Kraftstoff zugeführt. Vorzugsweise ist jedem Zylinder 21 ein Mengenstellglied 22 zugeordnet, mit dem die von dem Steuergerät 23 vorgegebene Kraftstoffmenge zugemessen wird. Als Mengenstellglieder 22 können Injektoren eines Common-Rail-Systems, Pumpe-Düse-Einheiten, Verteilerpumpen oder andere Mengenstellglieder verwendet werden. Vorzugsweise werden Mengenstellglieder verwendet, bei denen die Mengenzumessung über die Betätigungszeit von Magnetventilen oder Piezostellern erfolgt.
Vorzugsweise ist wenigstens ein Zylinder mit einem Ionenstrom-Sensor 24 versehen, dessen Signal in einer Auswerteeinrichtung 25 des elektronischen Steuergeräts 23 ausgewertet wird. Zum elektronischen Steuergerät 23 gehört eine Einrichtung zur Mengensteuerung 26 des Kraftstoffs. Die Mengensteuerung 26 gibt verschiedene Signale, wie beispielsweise verschiedene Meßgrößen, wie beispielsweise die Drehzahl N, interne Größen, wie beispielsweise die einzuspritzende Kraftstoffmenge QK, und den Spritzbeginn SB, an die Auswerteeinrichtung 25 weiter, wo diese Größen zusammen mit dem/den Ionenstromsensorsignale/n verarbeitet werden. Das Ergebnis dieser Verarbeitung wird der Mengensteuerung 26 zugeführt. Die Mengensteuerung 26 gibt ausgehend von diesen Signalen die Ansteuersignale für das Mengenstellglied 22 der einzelnen Zylinder 21 vor.
Das Signal I des Ionenstrom-Sensors, das bei der Verbrennung gemessen wird, hängt maßgeblich von zwei Größen ab. Dies sind die Einspritzmenge ME und der Spritzbeginn SB. Dabei gilt der folgende funktionale Zusammenhang: I = f1(ME, SB)
Die Bestimmung des Gasmomentes aus dem Signal des Ionenstrom-Sensors erfolgt unter Zuhilfenahme der in 2 und 3 gezeigten funktionalen Zusammenhänge mit dem Spritzbeginn und der Einspritzmenge. Hier für ist ein zumindest zweidimensionales Kennfeld erforderlich, das vorab experimentell ermittelt wird. Als Signal kann entweder der maximal während jedes Verbrennungszyklus fließende Ionenstrom oder das zeitliche Integral über das Stromsignal, d. h. die während jedes Verbrennungszyklus geflossene Ladungsmenge herangezogen werden.
Durch Invertieren der o.g. Beziehung kann die Einspritzmenge aus dem Signal des Ionenstrom-Sensors und dem Spritzbeginn SB rekonstruiert werden: ME = g1(I, SB)
Da auch das vom Motor abgegebene Drehmoment MD von der Einspritzmenge ME und dem Spritzbeginn SB abhängt, läßt sich aus dem Signal des Ionenstrom-Sensors und dem Spritzbeginn SB das vom Motor erzeugte Drehmoment MD bestimmen: MD = f2(ME, SB) = f2(g1(I, SB), SB) = f3(I, SB)
Das vom Ionenstrom-Sensor gemessene Signal wird dazu hinsichtlich der Signalgröße I ausgewertet. Um Schwankungen des Signals zu kompensieren erfolgt eine Mittelwertbildung über mehrere Arbeitsspiele. Ein Arbeitsspiel umfaßt zwei komplette Kurbelwellenumdrehungen (720°KW). Während der einen Umdrehung findet die Verbrennung, während der zweiten der Ladungswechsel statt.
Anschließend wird mittels eines Kennfeldes aus den Eingangsgrößen Signal des Ionenstrom-Sensors und dem Spritzbeginn SB das Drehmoment bestimmt. Der Spritzbeginn ist in dem Steuergerät 23 als Sollwert für eine Spritzbeginnregelung verfügbar. MD = f4(I, SB)
Eine größere Genauigkeit kann erzielt werden, wenn anstatt des Sollwerts der entsprechende Istwert verwendet werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn hierzu ein mit dem Ionenstrom-Sensor gemessene tatsächliche Verbrennungsbeginn VB zugrunde gelegt wird. Zwischen dem Spritzbeginn SB und dem Verbrennungsbeginn VB besteht ein enger Zusammenhang. Das Kennfeld ist entsprechend anzupassen. MD = f5(I, VB)
Aufgrund der für die Auswertung des Signals des Ionenstrom-Sensors erforderlichen Mittelwertbildung, handelt es sich bei dem hier bestimmten Drehmomentsignal um ein mittleres Moment.
Das Signal weist stochastische Streuungen in der Signalhöhe und im Signalverlauf auf, die für die weitere Verarbeitung geglättet werden müssen. Dies kann durch eine Tiefpaßfilterung z.B. in Form einer gleitenden Mittelwertbildung oder ein anderes Verfahren erfolgen.
Die 2 zeigt beispielhaft den funktionalen Zusammenhang zwischen Spritzbeginn (SB), der auf der x-Achse aufgetragen ist, und dem Signal des Ionenstrom-Sensors, der auf der y-Achse aufgetragen ist. Variiert wird der Spritzbeginn SB zwischen 4°KW vor dem oberen Totpunkt und 4°KW nach dem oberen Totpunkt.
Die 3 zeigt beispielhaft den funktionalen Zusammenhang zwischen der eingespritzten Kraftstoffmenge/Hub und dem Signal des Ionenstrom-Sensors. Dabei variiert die Einspritzmenge zwischen 6 und 18 mg Kraftstoff pro Hub. Entsprechend dem Koordinatenmaßstab auf der y-Achse sind die zugehörigen Ionenstromwerte zu entnehmen.
Erfindungsgemäß wird ausgehend von dem Signal des Ionenstrom-Sensor wenigstens eine Momentengröße, die das von der Brennkraftmaschine bereitgestellte Moment charakterisiert, bestimmt. Insbesondere wird das Gasmoment bestimmt. Dabei lassen sich weitere Momentengrößen ausgehend von diesem Gasmoment berechnen.
Erfindungsgemäß werden bei der Bestimmung des Moments zusätzlich zu dem Signal des Ionenstrom-Sensors eine Größe, die den Beginn der Kraftstoffeinspritzung oder den Verbrennungsbeginn charakterisiert verwendet. Hierzu kann der Sollwert und/oder der Istwert einer Spritzbeginnregelung herangezogen werden. Vorteilhaft hierbei ist, daß zur Erfassung dieser Größen keine weiteren Sensoren benötigt werden. Anstelle des Spritzbeginns können auch andere Größen, die in engem Zusammenhang mit dem Spritzbeginn stehen, verwendet werden. Dies sind insbesondere der Förderbeginn oder Ansteuersignale entsprechender Steller. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung des Verbrennungsbeginna, da dieser ebenfalls ausgehend von dem Signal des Ionenstrom-Sensors ermittelbar ist.
Um die Genauigkeit des Signals zu erhöhen, ist es vorteilhaft, eine Filterung, insbesondere eine Mittelwertbildung durchzuführen. Dabei kann das Signal des Ionenstrom-Sensors und/oder die Momentengröße gefiltert werden.

Claims

Verfahren zur Auswertung eines Signals eines Ionenstromsensors einer Brennkraftmaschine, wobei ausgehend von einer Signalgröße des Ionenstromsensors, nämlich den während eines Verbrennungszyklusses maximal fließenden Ionenstroms oder dem zeitlichen Integrals über das Stromsignal während jeden Verbrennungszyklusses, und einer Größe, die den Beginn der Kraftstoffeinspritzung oder den Verbrennungsbeginn charakterisiert, eine Momentengröße, die das von der Brennkraftmaschine bereitgestellte Moment charakterisiert, bestimmbar ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal oder die Momentengröße gefiltert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal und/oder die Momentengröße über mehrere Einspritzungen gemittelt wird.
Vorrichtung zur Auswertung eines Signals eines Ionenstromsensors einer Brennkraftmaschine, mit Mitteln, die ausgehend von einer Signalgröße des Ionenstromsensors, nämlich den während eines Verbrennungszyklusses maximal fließenden Ionenstroms oder dem zeitlichen Integrals über das Stromsignal während jeden Verbrennungszyklusses, und einer Größe, die den Beginn der Kraftstoffeinspritzung oder den Verbrennungsbeginn charakterisiert, eine Momentengröße, die das von der Brennkraftmaschine bereitgestellte Moment charakterisiert, bestimmen.