DE102004012073A1 - Ignition control device for a combustion engine using laser impulse ignition evaluates pressure changes in the combustion chamber - Google Patents

Ignition control device for a combustion engine using laser impulse ignition evaluates pressure changes in the combustion chamber Download PDF

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Abstract

An ignition control device for a combustion engine using laser impulse ignition comprises means of evaluating pressure changes in the combustion chamber. Preferably the pressure changes are evaluated by a pressure sensor or body noise sensor. An independent claim is also included for a process for the above device.

Description

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung bzw. einem Verfahren zur Kontrolle einer Zündung einer Brennkraftmaschine mittels eines Laserimpulses nach der Gattung der unabhängigen Patentansprüche. Aus der DE 196 43 755 A1 ist bereits bekannt, in einem Brennraum der Brennkraftmaschine eine Zündung eines brennfähigen Gemisches durch einen Laserstrahl vorzunehmen.The invention relates to a device or a method for controlling an ignition of an internal combustion engine by means of a laser pulse according to the preamble of the independent claims. From the DE 196 43 755 A1 It is already known to make an ignition of a combustible mixture by a laser beam in a combustion chamber of the internal combustion engine.

Vorteile der ErfindungAdvantages of invention

Die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche haben demgegenüber den Vorteil, dass eine sichere Erkennung der Zündung durch den Laserimpuls ermöglicht wird. Es kann so überprüft werden, ob der Laserimpuls in ausreichender Stärke in den Brennraum eingebracht wird, um eine sichere Zündung des brennfähigen Gemisches zu gewährleisten. Insbesondere kann so festgestellt werden, wenn der Laserimpuls durch Alterungen oder Verschmutzungen nicht mehr in ausreichender Stärke in den Brennraum eingebracht wird.The inventive device or the inventive method with the characteristics of the independent claims have in contrast the advantage that a reliable detection of the ignition by the laser pulse allows becomes. It can be checked that way whether the laser pulse is introduced in sufficient strength into the combustion chamber, for a safe ignition of the combustible To ensure a mixture. In particular, it can be determined when the laser pulse through Aging or dirt no longer in sufficient strength in the Combustion chamber is introduced.

Weitere Vorteile und Verbesserungen ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche. Die Auswertung der Druckänderung im Brennraum erfolgt zweckmäßiger Weise durch einen direkten Brennraumdrucksensor oder einen Körperschallsensor. Die Druckänderungen werden in einem Zeitfenster nach dem Laserimpuls ausgewertet, in dem aufgrund einer Plasmaexpansion in dem Brennraum eine Druckerhöhung zu erwarten ist. Die ermittelten Signale werden zweckmäßigerweise einer Filterung, insbesondere einer Hochpassfilterung unterzogen, um nur die hochdynamischen Signale zu erkennen. Die so gefilterten Signale werden dann bezüglich ihrer Spitzenwerte und/oder bezüglich der Energieinhalte im Frequenzbereich untersucht und/oder nach einer Gleichrichtung und Aufsummation bewertet.Further Advantages and improvements result from the characteristics of the dependent Claims. The evaluation of the pressure change in the combustion chamber is carried out expedient manner by a direct combustion chamber pressure sensor or a structure-borne sound sensor. The pressure changes are evaluated in a time window after the laser pulse in which due to a plasma expansion in the combustion chamber to a pressure increase is expected. The detected signals are expediently subjected to a filtering, in particular a high-pass filtering, to recognize only the highly dynamic signals. The so filtered Signals are then relative their peak values and / or re the energy content in the frequency domain and / or after a Rectification and summation evaluated.

Zeichnungendrawings

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigenembodiments The invention is illustrated in the drawings and in the following Description closer explained. Show it

1 schematisch eine Brennkraftmaschine, 1 schematically an internal combustion engine,

2 einen Druckverlauf im Brennraum und 2 a pressure curve in the combustion chamber and

3 eine Abfolge von Verfahrensschritten. 3 a sequence of process steps.

Beschreibungdescription

In der 1 wird schematisch ein Zylinder 1 einer Brennkraftmaschine dargestellt, in dem beweglich ein Kolben 2 angeordnet ist. Der Zylinder 1 und der Kolben 2 bilden einen Brennraum 3. In dem Brennraum 3 wird durch einen Ansaugkanal und entsprechende Ventile ein brennfähiges Gemisch eingebracht, welches entzündet wird. Dadurch entsteht in dem Brennraum 3 ein Druckanstieg, der eine Bewegung des Kolbens 2 verursacht. Die Bewegung des Kolbens 2 wird durch eine Kurbelwelle in eine Drehbewegung umgesetzt, die dann zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs oder dergleichen verwendet wird. In der schematischen Darstellung der 1 ist die Kurbelwelle, der Zuluftkanal, der Abluftkanal, entsprechende Ventile und dergleichen nicht dargestellt, da diese für das Verständnis der Erfindung nicht wesentlich sind. Bei der Darstellung der 1 handelt es sich um einen üblichen Otto-Motor.In the 1 becomes schematically a cylinder 1 an internal combustion engine shown, in which a movable piston 2 is arranged. The cylinder 1 and the piston 2 form a combustion chamber 3 , In the combustion chamber 3 is introduced through an intake passage and corresponding valves, a combustible mixture which is ignited. This results in the combustion chamber 3 a pressure increase, which is a movement of the piston 2 caused. The movement of the piston 2 is converted by a crankshaft in a rotational movement, which is then used to drive a motor vehicle or the like. In the schematic representation of 1 the crankshaft, the supply air duct, the exhaust duct, corresponding valves and the like are not shown, since these are not essential for the understanding of the invention. In the presentation of 1 it is a usual gasoline engine.

Die Entzündung des in dem Brennraum 3 vorhandenen brennfähigen Gemisches erfolgt hier mittels einer Laserzündung 4, die einen fokussierten Laserstrahl 5 in den Brennraum 3 einbringt. Im Fokuspunkt 6 wird die Energie des Laserstrahles auf einen kleinen Punkt fokussiert, was im Fokuspunkt 6 zu sehr hohen Temperaturen führt. Diese Temperaturerhöhung erfolgt schlagartig beim Einsetzen des Laserstrahls und führt im Fokuspunkt 6 zu einem sehr heißen Plasma, welches dann die Entzündung des im Brennraum 3 enthaltenen brennfähigen Gemisches bewirkt. Da die Anstiegszeit der Energie des Laserstrahls sehr kurz ist, erfolgt die Ausbildung dieses heißen Plasmas im Fokuspunkt 6 schlagartig, was zur Ausbildung einer Druckwelle im Brennraum führt. Diese Druckwelle kann daher zur Kontrolle verwendet werden, ob der Laserimpuls erfolgreich mit ausreichender Intensität in den Brennraum 3 eingebracht wurde. Weiterhin ist ein Brennraumdrucksensor 7 vorgesehen, der ebenfalls in den Brennraum 3 hineinragt. Durch diesen Brennraumdrucksensor 7 wird ein Druck im Brennraum 3 auch während der Verbrennung gemessen. Die Messwerte des Drucksensors 7 werden von einer Signalverarbeitungsvorrichtung 8 ausgewertet. Alternativ kann statt des Brennraumdrucksensors auch ein Körperschallsensor verwendet werden, wie er zur Erkennung von klopfenden Verbrennungen üblich ist. In dem Zeitfenster, in dem die Druckschwingungen auftreten, kann dabei die Empfindlichkeit des Körperschallsensors erhöht werden, da die Signalintensität der Druckwelle geringer sein kann als die Signalintensität von Klopfsignalen.The inflammation of the combustion chamber 3 existing combustible mixture takes place here by means of laser ignition 4 holding a focused laser beam 5 in the combustion chamber 3 brings. In the focus point 6 The energy of the laser beam is focused on a small point, which is in the focal point 6 leads to very high temperatures. This temperature increase occurs abruptly when inserting the laser beam and leads to the focal point 6 to a very hot plasma, which then causes the inflammation in the combustion chamber 3 contained combustible mixture causes. Since the rise time of the energy of the laser beam is very short, the formation of this hot plasma takes place in the focal point 6 abruptly, which leads to the formation of a pressure wave in the combustion chamber. This pressure wave can therefore be used to control whether the laser pulse succeeds with sufficient intensity in the combustion chamber 3 was introduced. Furthermore, a combustion chamber pressure sensor 7 provided, which is also in the combustion chamber 3 protrudes. Through this combustion chamber pressure sensor 7 becomes a pressure in the combustion chamber 3 also measured during combustion. The measured values of the pressure sensor 7 are from a signal processing device 8th evaluated. Alternatively, instead of the combustion chamber pressure sensor and a structure-borne noise sensor can be used, as is customary for the detection of knocking burns. In the time window in which the pressure oscillations occur, the sensitivity of the structure-borne noise sensor can be increased because the signal intensity of the pressure wave can be less than the signal intensity of knock signals.

In der 2 wird ein Drucksignal P in den Brennraum 3 gegenüber einem Kurbelwellenwinkel KW aufgetragen. Aufgetragen ist hier ein Bereich von –30° Kurbelwellenwinkel bis +20° Kurbelwellenwinkel. Als Nullpunkt wird üblicherweise der obere Totpunkt des Kolbens 2 im Zylinder 1 genommen, d. h. der Punkt, bei dem eine Aufwärtsbewegung des Kolbens 2 umgekehrt wird in eine Abwärtsbewegung des Kolbens 2. Typischerweise wird die Verbrennung so ausgelegt, dass der Höhepunkt des durch die Verbrennung erzeugten Druckes nach dem oberen Totpunkt, d. h. nach Kurbelwellenwinkel gleich Null liegt. Um dies zu gewährleisten, muss die Zündung vor dem oberen Totpunkt erfolgen. In dem Druckverlauf nach der 2 erfolgt die Zündung bei –30° Kurbelwelle in dem Zeitfenster t1–t2. Dadurch wird erreicht, dass das Maximum des Druckanstieges P, wie er vom Drucksensor 7 gemessen wird, unmittelbar nach dem oberen Totpunkt bei 0° Kurbelwellenwinkel liegt. In Folge des starken Laserimpulses bei –30° Kurbelwelle entsteht ein sehr heißes Plasma an einem Punkt im Brennraum, durch den die Verbrennung des brennfähigen Gemisches im Brennraum 3 so ausgelöst wird, dass kurz nach dem oberen Totpunkt das Druckmaximum erfolgt. Die Zeitverzögerung zwischen dem eigentlichen Zündimpuls und dem Druckmaximum hängt damit zusammen, dass es eine Weile dauert, bis ausgehend von dem punktförmigen Fokussierpunkt 6 die Verbrennung sich im gesamten Brennraum 3 ausgebreitet hat. Unmittelbar nach dem Laserimpuls bei –30° Kurbelwelle sind jedoch kurze Druckschwankungen messbar, die durch das heiße Plasma im Fokussierpunkt 6 verursacht werden. Durch die schlagartige Temperaturerhöhung im Fokussierpunkt 6 breitet sich ausgehend von diesem Fokussierpunkt 6 eine Druckwelle in dem Brennraum 3 aus. Diese Druckschwellen breiten sich innerhalb des Brennraums mit Schallgeschwindigkeit aus, werden von den Wänden des Brennraums 3 reflektiert, bis sie dann abgeklungen sind. In der 2 treten diese hochfrequenten Druckschwingungen in dem Bereich zwischen –30° Kurbelwelle bis –25° Kurbelwelle auf, d. h. sie sind unmittelbar nach dem Einstrahlen des Laserimpulses im Druckverlauf des Brennraumes 3 nachweisbar. Diese Druckschwankungen lassen sich durch den Zylinderbrennraumdrucksensor 7, wie er in der 1 gezeigt wird, leicht messen und werden durch die nachfolgende Auswerteelektronik 8 verarbeitet. Aufgrund dieser Druckschwankungen kann festgestellt werden, ob der Laserimpuls mit ausreichender Intensität in den Brennraum 3 eingeleitet wurde. Durch Betrachtung dieser Druckschwankungen kann daher kontrolliert werden, ob die Laserzündvorrichtung 4 noch ausreichend arbeitet, insbesondere ob eine ausreichend hohe Energiemenge in den Brennraum 3 eingebracht wird.In the 2 is a pressure signal P in the combustion chamber 3 plotted against a crankshaft angle KW. Applied here is a range of -30 ° crankshaft angle to + 20 ° crankshaft angle. The zero point is usually the top dead center of the piston 2 in the cylinder 1 taken, ie the point at which an upward movement of the piston 2 is reversed in a downward movement of the piston 2 , Typically, the combustion is designed so that the peak of the pressure generated by the combustion after top dead center, ie after crankshaft angle is zero. To ensure this, the ignition must be done before top dead center. In the pressure course after the 2 the ignition takes place at -30 ° crankshaft in the time window t1-t2. This ensures that the maximum of the pressure increase P, as he from the pressure sensor 7 is measured immediately after top dead center at 0 ° crankshaft angle. As a result of the strong laser pulse at -30 ° crankshaft, a very hot plasma is produced at a point in the combustion chamber, through which the combustion of the combustible mixture in the combustion chamber 3 is triggered so that shortly after the top dead center, the maximum pressure occurs. The time delay between the actual ignition pulse and the maximum pressure is related to the fact that it takes a while, starting from the point-shaped focusing point 6 the combustion itself throughout the combustion chamber 3 has spread. Immediately after the laser pulse at -30 ° crankshaft but short pressure fluctuations are measurable, by the hot plasma in the focusing point 6 caused. Due to the sudden increase in temperature in the focusing point 6 spreads starting from this focus point 6 a pressure wave in the combustion chamber 3 out. These pressure thresholds propagate within the combustion chamber at the speed of sound are from the walls of the combustion chamber 3 reflected until they subsided. In the 2 These high-frequency pressure oscillations occur in the range between -30 ° crankshaft to -25 ° crankshaft, ie they are immediately after the irradiation of the laser pulse in the pressure curve of the combustion chamber 3 detectable. These pressure fluctuations can be achieved by the cylinder combustion chamber pressure sensor 7 as he is in the 1 is shown, easy to measure and be through the subsequent evaluation 8th processed. Because of these pressure fluctuations, it can be determined if the laser pulse with sufficient intensity in the combustion chamber 3 was initiated. By considering these pressure fluctuations can therefore be controlled whether the laser ignition device 4 still working sufficiently, in particular whether a sufficiently high amount of energy in the combustion chamber 3 is introduced.

In der 3 werden einzelne Verfahrensschritte des Verfahrens zur Kontrolle einer Zündung einer Brennkraftmaschine mittels eines Laserimpulses dargestellt. Das Verfahren nach der 3 geht davon aus, dass die Signalverarbeitungsvorrichtung 8 im Wesentlichen als Mikrorechner mit einem entsprechenden Analog-Digital-Wandler ausgebildet ist.In the 3 Individual process steps of the method for controlling an ignition of an internal combustion engine are represented by means of a laser pulse. The procedure according to 3 assumes that the signal processing device 8 is designed substantially as a microcomputer with a corresponding analog-to-digital converter.

Das Verfahren beginnt beim Verfahrensschritt 100, mit dem ein Messfenster gestartet wird. Auslösendes Ereignis für ein derartiges Messfenster kann beispielsweise die unmittelbar zuvor erfolgte Ausgabe eines Laserimpulses durch ein Steuergerät, welches die Laserzündvorrichtung 4 ansteuert, sein. In der darauffolgenden Schleife, die die Schritte 101 bis 103 umfasst, erfolgt im Wesentlichen ein Messen und Einlesen der Messwerte. Im Schritt 101 wird der Druck, der zu dem Zeitpunkt vom Drucksensor 7 gemessen wird, eingelesen und im Schritt 102 erfolgt eine Speicherung dieses Wertes. In Schritt 103 wird überprüft, ob das Messfenster das Ende erreicht hat. Das Ende kann hier entweder durch den Ablauf eines Zeitzählers oder aber durch den Ablauf eines Winkelzählers gegeben sein. Wenn das Messfenster noch nicht sein Ende erreicht hat, so folgt auf den Schritt 103 wieder der Schritt 101. Wenn im Schritt 103 festgestellt wird, dass das Messfenster sein Ende erreicht hat, so folgt auf den Schritt 103 der Schritt 104.The process begins at the process step 100 with which a measurement window is started. Triggering event for such a measurement window, for example, the immediately preceding issue of a laser pulse by a control unit, which the laser ignition device 4 be driving. In the following loop, the steps 101 to 103 essentially involves measuring and reading in the measured values. In step 101 will be the pressure at the time of the pressure sensor 7 is measured, read in and in the step 102 a storage of this value takes place. In step 103 it is checked if the measuring window has reached the end. The end can be given here either by the expiry of a time counter or by the expiration of an angle counter. If the measurement window has not reached its end yet, follow the step 103 again the step 101 , When in step 103 it is determined that the measurement window has reached its end, then follows the step 103 the step 104 ,

In dem Schritt 104 werden die zuvor gemessenen Messwerte einer Hochpassfilterung unterzogen. Im darauffolgenden Schritt 105 erfolgt eine Auswertung der so hochpassgefilterten Signale. Dabei stehen verschiedene Auswertestrategien zur Verfügung. Eine Auswertestrategie besteht darin, die Spitzenwerte der Druckwelle zu betrachten. Im darauffolgenden Schritt 106 erfolgt dann eine Bewertung dahingehend, dass sichergestellt ist, dass die Spitzenwerte der Druckwelle höher waren als ein Vergleichswert. Alternativ ist im Schritt 105 auch möglich, die hochpassgefilterten Signale gleichzurichten und auch zu integrieren. Im Schritt 106 erfolgt dann eine Bewertung dahingehend, dass abgefragt wird, ob das auch integrierte Signal einen Schwellwert übersteigt.In the step 104 the previously measured values are subjected to high-pass filtering. In the following step 105 An evaluation of the so high-pass filtered signals. There are various evaluation strategies available. One evaluation strategy is to look at the peak values of the pressure wave. In the following step 106 then an assessment is made to ensure that the peak values of the pressure wave were higher than a comparison value. Alternatively, in step 105 also possible to rectify and integrate the high-pass filtered signals. In step 106 Then an evaluation is made to the effect that it is queried whether the integrated signal also exceeds a threshold value.

Als weitere Alternative kann im Schritt 105 auch eine Bewertung im Frequenzraum erfolgen, d. h. die hochpassgefilterten Drucksignale werden fouriertransformiert und im Frequenzraum wird dann bestimmt, ob die Leistung bezogen auf die Frequenz ausreichend hoch war. Im Schritt 106 wird dann überprüft, ob die Leistungsdichte ausreichend hoch war.As another alternative, in step 105 an evaluation in the frequency space, ie the high-pass filtered pressure signals are Fourier transform and in the frequency space is then determined whether the power was sufficiently high in relation to the frequency. In step 106 is then checked if the power density was sufficiently high.

Die verschiedenen Methoden zur Auswertung können auch miteinander kombiniert werden, bespielsweise kann sowohl der Spitzenwert als auch der aufintegrierte gleichgerichtete Wert betrachtet werden.The Different methods of evaluation can also be combined For example, both the peak and the integrated can be rectified value.

Auf den Schritt 106, d. h. nach der Bewertung, ob der Laserimpuls ausreichend stark war, erfolgt im Schritt 107 eine Speicherung der entsprechenden Information beispielsweise in der Form, dass abgelegt wird "Zündung in Ordnung" oder "Zündung fehlerhaft".On the step 106 , ie after the evaluation, whether the laser pulse was sufficiently strong, takes place in the step 107 a storage of the corresponding information, for example in the form, that is filed "Ignition OK" or "Ignition faulty".

Entsprechend dieser Information können dann weitere Maßnahmen ergriffen werden. Diese Maßnahmen können beispielsweise darin bestehen, dass die Energie, die für die Erzeugung des Laserimpulses verwendet wird, erhöht wird. Weitere Maßnahmen können auch darin bestehen, dass die Brennkraftmaschine so betrieben wird, dass eventuelle Ablagerungen auf der Laservorrichtung 4, wie beispielsweise Rußpartikel, entfernt werden. Wenn dauerhaft festgestellt wird, dass die von dem Lasermittel 4 eingebrachten Laserimpulse nicht ausreichend stark sind, um eine Zündung des brennfähigem Gemisches im Brennraum 3 zu gewährleisten, so kann auch die Zuführung von Kraftstoff in diesen Brennraum unterbrochen werden, um nicht einen nachfolgenden Katalysator übermäßig mit unverbranntem Kraftstoff zu belasten.According to this information then further action can be taken. These measures may be, for example, that the energy used to generate the laser pulse is increased. Other measures may also be that the internal combustion engine is operated so that any deposits on the laser device 4 , such as soot particles are removed. If it is permanently determined that the laser means 4 introduced laser pulses are not strong enough to ignite the combustible mixture in the combustion chamber 3 To ensure that the supply of fuel in this combustion chamber can be interrupted so as not to excessively burden a subsequent catalyst with unburned fuel.

Claims (8)

Vorrichtung zur Kontrolle einer Zündung einer Brennkraftmaschine mittels eines Laserimpulses, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (7, 8) zur Auswertung des Laserimpulses (5) im Brennraum (3) der Brennkraftmaschine vorgesehen sind, die eine Druckänderung im Brennraum (3) auswerten.Device for controlling an ignition of an internal combustion engine by means of a laser pulse, characterized in that means ( 7 . 8th ) for evaluating the laser pulse ( 5 ) in the combustion chamber ( 3 ) of the internal combustion engine are provided which a pressure change in the combustion chamber ( 3 ) evaluate. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (7, 8), die eine Druckänderung im Brennraum (3) auswerten, als Zylinderbrennraumdrucksensor (7) oder Körperschallsensor ausgebildet sind.Device according to claim 1, characterized in that the means ( 7 . 8th ), which is a pressure change in the combustion chamber ( 3 ), as a cylinder combustion chamber pressure sensor ( 7 ) or structure-borne sound sensor are formed. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (7, 8), die eine Druckänderung im Brennraum (3) auswerten, Signale in einem Zeitfenster nach dem Laserimpuls (5) auswerten, indem eine Druckwelle aufgrund einer Plasmaexpansion in den Brennraum (3) zu erwarten ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the means ( 7 . 8th ), which is a pressure change in the combustion chamber ( 3 ), signals in a time window after the laser pulse ( 5 ) by a pressure wave due to a plasma expansion in the combustion chamber ( 3 ) is to be expected. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Mittel (8) für eine Hochpassfilterung des Signals vorgesehen sind.Device according to claim 3, characterized in that further means ( 8th ) are provided for high-pass filtering of the signal. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, die die gefilterten Signale auf Spitzenwerte untersuchen.Device according to claim 4, characterized in that in that means are provided for peaking the filtered signals investigate. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, die eine Untersuchung der gefilterten Signale im Frequenzbereich vornehmen.Device according to claim 4, characterized in that that means are provided for an investigation of the filtered Make signals in the frequency domain. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, die eine Gleichrichtung und Aufsummierung der hochpassgefilterten Signale vornehmen.Device according to claim 4, characterized in that that means are provided, the rectification and summation make the high-pass filtered signals. Verfahren zur Kontrolle einer Zündung einer Brennkraftmaschine mittels eines Laserimpulses, dadurch gekennzeichnet, dass eine Druckänderung im Brennraum 3 ausgewertet wird.Method for controlling an ignition of an internal combustion engine by means of a laser pulse, characterized in that a pressure change in the combustion chamber 3 is evaluated.
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