DE10036279A1 - Bestimmung des Drehmomentes eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Abschätzung des Drehmomentes eines Verbrennungsmotors, dadurch gekennzeichnet, dass ein Maß für das Drehmoment aus dem im Brennraum des Verbrennungsmotors während der Verbrennung durch einen Ionenstromsensor erfaßten Ionenstrom abgeschätzt wird.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft die Abschätzung des von einem Verbrennungsmotor abgegebenen Drehmomentes.

Moderne Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen sind mit drehmomentgeführten Motorsteuerungssystemen ausgestattet. Das vom Verbrennungsmotor abgegebene Motormoment muß einen vom Fahrer gewünschten Fahrzustand ermöglichen und den Betrieb sämtlicher Komponenten und Zusatzaggregate sicherstellen. Die Aufgabe der Drehmomentführung besteht darin, durch eine geeignete Wahl der Motorstellgrößen das innere Moment aus der Verbrennung im Motor so einzustellen, dass sämtliche Verluste durch Reibung, Antrieb von Nebenaggregaten usw. abgedeckt werden, so dass das vom Motor abgegebene Drehmoment ausreicht, den Fahrerwunsch (z. B. Beschleunigung, Halten der Geschwindigkeit, Verzögern) zu erfüllen.

Zur Einstellung des inneren Momentes wird hauptsächlich die Position der Drosselklappe elektronisch gesteuert eingestellt und/oder der Zündwinkel variiert. Weitere Möglichkeiten bestehen in Eingriffen in die Kraftstoffzumessung und/oder den Ladedruck bei aufgeladenen Motoren.

Da bei einem Drehmoment geführtem System die Antriebsleistung des Verbrennungsmotors nur elektronisch gesteuert verstellt wird, ist besondere Sorgfalt auf die Betriebssicherheit zu legen. Maßnahmen zur Überwachung der Steuerung eines Verbrennungsmotors, die auch bei völliger Entkoppelung zwischen einem Fahrpedal (Fahrerwunsch) und den Stellelementen, die das Motormoment bestimmen, anwendbar sind, werden in der DE-OS 195 36 038 (US 5,692,472) beschrieben. Dabei wird das Ist-Moment des Motors aus Betriebsparametern des Motors, wie Ansaugluftmasse, Kraftstoffluftverhältnis Lambda, Zündwinkel usw. berechnet. Diese Berechnung ist insbesondere bei Motoren mit Saugrohreinspritzung möglich. Bei Motoren mit Benzindirekteinspritzung liefert diese Methode jedoch zumindest im sogenannten Schichtbetrieb, der durch eine inhomogene Gemischverteilung unter Luftüberschuß im Brennraum gekennzeichnet ist, nicht befriedigende Ergebnisse. Verfahren zum zumindest zeitweisen Betreiben eines Motors im Schichtbetrieb sind aus der DE 198 13 381 bekannt.

Weiter ist eine Berechnung des abgegebenen Motormomentes auf der Basis der Auswertung von Winkelbeschleunigungen der Kurbelwelle bekannt. Dieses Verfahren arbeitet bei Motoren mit niedriger Zylinderzahl recht zuverlässig. Die Zuverlässigkeit nimmt jedoch mit zunehmender Zylinderzahl ab.

Als dritte Möglichkeit ist die Bestimmung des abgegebenen Momentes mit Hilfe eines mechanischen Drehmomentsensors möglich, der eine Torsionsmessung nutzt. Serienreife Drehmomentsensoren sind jedoch sehr teuer.

Weiterhin wird seit langem versucht, Ionenstrommessungen für verschiedene Motorsteuerungs- und Diagnosefunktionen einzusetzen, beispielsweise zur Klopfdetektion, zur Verbrennungsaussetzererkennung, zur Schätzung des Verbrennungsdrucks bzw. der Lage des Druckmaximums, zur Bestimmung der Gemischzusammensetzung und zur Erkennung der Magerlaufgrenze.

Ionenstrommessungen basieren auf dem Effekt, dass bei Verbrennungen eine durch chemische und physikalische Vorgänge bedingte Ionisierung der beteiligten Gase erfolgt. Wird an zwei voneinander isoliert in das Gas hineinragenden Elektroden eine Spannung angelegt, kann ein Ionenstrom gemessen werden. Als Messonde kann bei Verbrennungsmotoren die Zündkerze verwendet werden. Nach Anlegen einer Spannung zwischen Mittelelektrode und Masse kann nach Abklingen des Zündfunkens der Ionenstrom gemessen werden.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung des Ionenstroms an Brennkraftmaschinen ist aus der WO 99/18350 bekannt.

Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung in der Angabe von Maßnahmen, die eine zuverlässige und kostengünstige Momentenüberwachung auch bei Motoren mit Benzindirekteinspritzung im Schichtbetrieb erlauben. Insbesondere soll aus Gründen der Betriebssicherheit ein ungewollter Momentenzuwachs bei Betrieb in Nullastnähe erkannt werden.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die Erfindung basiert auf der Idee, im Brennraum von Verbrennungsmotoren erfaßbare Ionenstromsignale zur Abschätzung des Motormomentes und damit zur Drehmomentüberwachung zu nutzen.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezug auf die Figuren beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine zur Erfassung von Ionenstromsignalen geeignete Vorrichtung.

Fig. 2 zeigt Verläufe von Ionenstromsignalen für verschiedene Drehmomentwerte.

Fig. 3 offenbart ein Blockschaltbild als Auführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In Fig. 1 ist beispielhaft die Anordnung von Zündung und Messkreis für einen Zylinder dargestellt. Die Anordnungen von Zündung und Messkreis von weiteren Zylindern sind hierzu identisch. Die Ziffer 1 in der Fig. 1 bezeichnet eine Einzelfunkenspule mit Primär- (L1) und Sekundärwicklung (L2). Die Primärwicklung wird an einem Ende mit der Batteriespannung beaufschlagt. Das andere Ende ist über einen Unterbrecher 2 mit Masse verbunden. Die Ansteuerung des Unterbrechers 2 erfolgt über das Steuergerät 13.

Das hochspannungsseitige Ende (positive Polarität) der Sekundärwicklung ist über eine Diode 3 und eine Hochspannungsleitung 4 mit einer Zündkerze 5 verbunden. Am niederspannungsseitigen Ende sind ein Strommessmittel A und eine Spannungsquelle 6 (bspw. 200 V) in Reihe geschalten. Der Minuspol der Spannungsquelle 6 liegt auf Masse. Parallel zum Strommessmittel A und zur Spannungsquelle 6 liegt eine Zenerdiode 7.

Durch Unterbrechung des Primärstromkreises wird die Zündung ausgelöst und es liegt ein Potenzial von mehreren kV an der Mittelelektrode der Zündkerze an. Nach Erreichen der Durchbruchspannung fließt ein Funkenstrom über Sekundärwicklung, die Diode 3, die Hochspannungsleitung 4, die Funkenstrecke der Zündkerze 5 und die in Durchlass gepolte Zenerdiode.

Nach Abbau der in der Spule gespeicherten Energie bricht der Funkenstrom zusammen. Aufgrund der Polarität der Spannungsquelle 6 beginnt damit die Diode 7 zu sperren. Infolge der durch die Zündung ausgelösten Verbrennung des Kraftstoff/Luft-Gemisches werden im Brennraum Ionen gebildet. Die von der Spannungsquelle 6 verursachte Potenzialdifferenz zwischen den Elektroden der Zündkerze, hat eine gerichtete Bewegung der Ionen im elektrischen Feld zur Folge. Es bildet sich ein Ionenstrom aus, der über die Funkenstrecke der Zündkerze 5, die Spannungsquelle 6, das Strommessmittel A, die Sekundärspule, die Diode 3 und die Hochspannungsleitung 4 fließt. Die Amplitude des Ionenstromsignals wird vom Strommessmittel A erfasst und an das Steuergerät 13 weitergereicht.

Fig. 1 zeigt ferner ein mit Kurbelwellendrehzahl rotierendes Winkelgeberrad 8, das Markierungen 9 trägt, sowie einen Winkelsensor 10, ein mit Nockenwellendrehzahl rotierendes Segmentrad 11 und einen zugehörigen Sensor 12.

Segmentrad 11 und Sensor 12 dienen zur Zylinderidentifikation. Die Drehbewegung des mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine gekoppelten Winkelgeberrades wird mit Hilfe des als Induktivsensor realisierten Winkelsensors 10 in ein elektrisches Signal umgewandelt, dessen Periodizität ein Abbild des periodischen Vorbeistreichens der Markierungen 9 am Winkelsensor 10 darstellt. Die Zeitdauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Anstiege des Signalpegels entspricht daher der Zeit, in der sich die Kurbelwelle über einen dem Ausmaß einer Markierung entsprechenden Winkelbereich weitergedreht hat. Diese Zeitdauern werden in dem Steuergerät 13 verarbeitet.

Fig. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf des Ionenstroms. Anstelle der Auftragung über der Zeit könnte der Ionenstrom auch über dem Kurbelwellenwinkel aufgetragen sein.

Fig. 2a zeigt einen Ionenstromverlauf, wie er bei einem Motor im Betriebspunkt mit 3000 Umdrehungen/Minute und Nullast gemessen wurde. Der Begriff der Nullast beschreibt den Zustand, in dem das innere Motormoment gerade ausreicht, um die Drehzahl ohne äußere Last, also beispielsweise im ausgekoppelten Zustand zu halten.

Fig. 2b zeigt einen Ionenstromverlauf, wie er bei dem gleichen Motor bei gleicher Drehzahl und mittlerer Belastung gemessen wurde. In diesem Betriebspunkt bringt der Motor ein Drehmoment auf, das ausreicht, die Drehzahl trotz einer äußeren Last zu halten. Die äußere Last entspricht hier beispielsweise dem Fahrwiderstand eines Kraftfahrzeugs bei einer mittleren Geschwindigkeit.

Im Vergleich beider Figuren fällt auf, dass das Signal in Fig. 2b zwei unterschiedliche Anteile aufweist, während das Signal der Fig. 2a nur ein hohes, wenn auch zerklüftetes Maximum besitzt. Das an der Zündkerze gemessene Ionenstromsignal besteht im allgemeinen Fall (Last < Null) aus zwei unterschiedlichen Anteilen, nämlich einem Flammenfrontanteil (früh) und einem Nachflammphasenanteil (spät). Eine für die Erfindung wesentliche Eigenschaft liegt darin, dass die Amplitude des Nachflammphasenanteils hauptsächlich von der Motorlast bestimmt wird. Bei nullastnahem Betrieb ist die Amplitude noch sehr klein oder der Nachflammphasenanteil fehlt gänzlich. Mit zunehmender Motorlast und dem damit zunehmenden Motormoment wird die Amplitude stetig größer.

Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild für das erfindungsgemäße Verfahren zur Abschätzung des von einem Verbrennungsmotor abgegebenen Drehmomentes.

Block 3.1 repräsentiert die Verbrennung in den Brennräumen des Verbrennungsmotors. Block 3.2 stellt die Erfassung der Ionenstromsignale dar, beispielsweise mit einer Vorrichtung nach Fig. 1. Aus den Ionenstromsignalen aus Block 3.2 wird im Block 3.3 ein Signal (Merkmal) über das Motordrehmoment erzeugt. Bei erkanntem Fehlerfall, d. h. bei einem unerwarteten Momentenzuwachs, sind unterschiedliche Reaktionen bis hin zum Auslösen einer Notlauffunktion oder bis hin zum Abschalten des Motors denkbar.

Dazu kann beispielsweise untersucht werden, ob das Ionenstromsignal einen Nachflammphasenanteil innerhalb eines vorbestimmten Winkelbereichs aufweist.

Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Positionen von Nachflammphasenmaximum und Druckmaximum sehr dicht beieinander liegen.

Zur Detektion stellt das Steuergerät ein Meßfenster zur Verfügung, innerhalb dessen nach dem Nachflammphasen­ maximum gesucht wird. Das Meßfenster wird bzgl. des Kurbelwellenwinkels erzeugt, beispielsweise durch Vorgabe einer bestimmten Zahl und Lage von Zähnen 9 des Geberrades 8. Lage und Zahl der Zähne können im Steuergerät in Abhängigkeit von motorischen Zuständen (z. B. Drehzahl) berechnet werden. Innerhalb des Meßfensters wird das Ionenstromsignal auf die Existenz eines lokalen Maximas hin untersucht. Wird kein lokales Maximum gefunden [Bereich davor und danach mit kleineren Werten], so ist kein Nachflammphasenanteil vorhanden.

Alternativ dazu kann der Nachflammphasenanteil durch eine Ermittlung der lokalen Maxima nach einer Tiefpassfilterung detektiert werden. Diese Alternative nutzt die folgende Signaleigenschaft aus: Der Flammenfrontanteil ist teilweise stark zerklüftet und weist mitunter mehrere Maxima auf. Im Nachflammphasenanteil sind demgegenüber nur niederfrequente Anteile vorhanden.

Zunächst wird das gesamte Ionenstromsignal (Flammenfront- und Nachflammphasenanteil) mit angepaßter Grenzfrequenz tiefpaßgefiltert. Dadurch wird der Verlauf des Flammenfrontanteils geglättet und weist nur noch ein lokales Maximum auf. Der Verlauf des Nachflammphasenanteils wird durch die Filterung kaum beeinflußt. Nach der Tiefpassfilterung werden die im Signal enthaltenen lokalen Maxima bestimmt. Tritt nur ein lokales Maxima auf, so ist kein Nachflammphasenanteil vorhanden.

Die beiden oben dargestellten Alternativen können auch kombiniert werden. Mit anderen Worten: Das tiefpaßgefilterte Signal wird nur innerhalb des Meßfensterbereiches für den Nachflammphasenanteil ausgewertet.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird versucht, das Ionenstromsignal durch ein parametrisierbare Funktion zu approximieren. Die gewählte Funktion enthält oder besteht aus einer oder zwei Einzelmaxima (z. B. Gaußfunktionen), von denen eines den Flammenfront- und das andere den Nachflammphasenanteil repräsentieren soll. Durch ein geeignetes Approximationsverfahren werden die Parameter bestimmt (z. B. Methode der kleinsten Fehlerquadrate). Ist die Funktion mit einem Einzelmaximum ausreichend genau approximierbar, so ist kein Nachflammphasenanteil vorhanden. Ansonsten sind stets Funktionsansätze mit zwei Maxima notwendig.

Im Rahmen eines weiteren Ausführungsbeispiels erfolgt ein Vergleich der Ionenstromverläufe mit gespeicherten Musterfunktionen.

In Abhängigkeit von der Drehzahl sind im Steuergerät Ionenstrom-Musterfunktionen mit unterschiedlich stark ausgeprägtem Nachflammphasenanteil hinterlegt. Durch Vergleich/Korrelation zwischen Originalsignal und Musterfunktion kann die Musterfunktion in einem ersten Schritt zeitlich korrekt ausgerichtet werden. In einem zweiten Schritt wird untersucht, welche der zeitlich korrekt ausgerichteten Musterfunktionen die beste Schätzung und damit Annäherung für das gemessene Signal, bzw. für die Stärke des Nachflammphasenanteils darstellt.

Jeder gespeicherten Musterfunktion ist ein Drehmomentwert zugeordnet, so daß die Zuordnung des gemessenen Ionenstromverlaufes zu einer Musterfunktion eine zumindest grobe Abschätzung des Drehmomentes ermöglicht.

Für alle Ausführungsbeispiele gilt, dass eine Mittelung oder statistische Absicherung die Erkennungssicherheit verbessert.

Claims (6)

1. Verfahren zur Abschätzung des Drehmomentes eines Verbrennungsmotors, dadurch gekennzeichnet, dass ein Maß für das Drehmoment aus dem im Brennraum des Verbrennungsmotors während der Verbrennung durch einen Ionenstromsensor erfaßten Ionenstrom abgeschätzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Maß für das Drehmoment überprüft wird, ob der für eine einzelne Verbrennung erfaßte Ionenstromverlauf neben einem ersten Maximum, dass einem Flammenfrontanteil entspricht, ein zweites lokales Maximum, dass einem Nachflammphasenanteil entspricht, aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb eines Meßfensters, dass bezüglich des Kurbelwellenwinkels als Funktion von Betriebsparametern definiert ist, überprüft wird, ob der Ionenstrom ein lokales Maximum aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ionenstromsignal tiefpaßgefiltert wird und dass überprüft wird, ob das tiefpaßgefilterte Signal mehr als ein lokales Maximum aufweist.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ionenstromsignal durch eine parametrisierbare Funktion mit einem oder zwei lokalen Maxima approximiert wird und dass überprüft wird, ob das Ionenstromsignal durch eine Funktion mit einem lokalen Maximum mit einer vorbestimmten Mindestgenauigkeit approximierbar ist oder ob die geforderte Mindestgenauigkeit erst mit zwei parametrisierbaren Maxima erreicht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das gemessene Ionenstromsignal mit im Steuergerät gespeicherten Ionenstrom-Musterfunktionen mit unterschiedlich stark ausgeprägten Nachflammphasenanteil verglichen wird, denen jeweils ein bestimmtes Motordrehmoment zugeordnet werden kann, und dass dem gemessenen Ionenstromsignal der Drehmomentwert derjenigen Musterfunktion zugeordnet wird, die die beste Annäherung für das gemessene Signal darstellt.