DE102004042010A1

DE102004042010A1 - Verfahren zur Bestimmung des Zündverzugs nach einem Kraftstoff-Einspritzsignal

Info

Publication number: DE102004042010A1
Application number: DE102004042010A
Authority: DE
Inventors: Patrick Attard; Walter Dipl.-Ing. Frieß; Rüdiger Dr.-Ing. Herweg
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2004-08-31
Filing date: 2004-08-31
Publication date: 2006-03-02
Also published as: WO2006024443A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Bestimmung des Zündverzugs nach einem Kraftstoff-Einspritzsignal (S) bei einer selbstzündenden Brennkraftmaschine durch Auswertung eines Ionenstromsignals vorgeschlagen. Zur Kompensation von unterschiedlichem Zündverzug bei unterschiedlichen Kraftstoffen wird das Kraftstoff-Einspritzsignal (S) zeitlich oder winkelmäßig entsprechend der zeitlichen Differenz oder Winkeldifferenz zwischen dem jeweils erfassten Ionenstromsignal (Ii) und einem vorgebbaren Norm-Ionenstromsignal oder einem diesem entsprechenden Zeit- oder Winkelsignal verschoben. Im Rahmen einer Regelung erfolgt dadurch eine automatische Anpassung an Kraftstoffe unterschiedlicher Qualität und Zusammensetzung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Zündverzugs nach einem Kraftstoff-Einspritzsignal bei einer selbstzündenden Brennkraftmaschine durch Auswertung eines Ionenstromsignals.

Bei einem aus der DE 198 38 222 A1 bekannten Verfahren dieser Gattung wird durch Auswertung des zeitlichen Verlaufs des Ionenstromsignals eine Rußbestimmung durchgeführt, um eine übermäßige Rußbildung zu erkennen. Weiterhin dient die Auswertung des Ionenstromsignals zur Erkennung einer fehlerhaften Dauereinspritzung. Weiterhin ist aus der DE 198 49 115 C2 ein Verfahren zur Erkennung der Qualität des Kraftstoffes bekannt. Hierzu wird das Ionenstromsignal hinsichtlich seines Energieinhaltes ausgewertet. Das Ziel dieses Verfahrens ist das Erkennen von unerwünschten Bestandteilen im Kraftstoff. Übersteigen diese ein vorgebbaren Anteil, so erfolgt ein Eintag in einen Fehlerspeicher und ein Eingriff in die Motorsteuerung.

Unterschiedliche Kraftstoffe führen zu einem unterschiedlichen Zündverzug nach dem Ansteuerbeginn, also nach dem jeweiligen Kraftstoff-Einspritzsignal. Dieser Zündverzug hängt beispielsweise vom Energieinhalt, der Viskosität, der Dichte und der Zusammensetzung des Kraftstoffes ab, insbesondere auch von der Cetanzahl. Aus diesem Grunde führen unterschiedliche Kraftstoffe zu unterschiedlichem Betriebsverhalten einer selbstzündenden Brennkraftmaschine, also beispielsweise eines Dieselmotors, was unerwünscht ist, so dass beispielsweise unterschiedliche Motoreinstellungen für unterschiedliche Länder erforderlich sind, in denen die Kraftstoffqualität voneinander abweicht. Eine stark abweichende Kraftstoffqualität würde sonst zu verschlechtertem Fahrverhalten, höherem Verbrauch, größerer Geräuschentwicklung und schlechteren Emissionen führen.

Der Zündverzug ließe sich direkt durch eine Druckerfassung im Zylinder der Brennkraftmaschine bestimmen, jedoch sind Drucksensoren und deren Installation im Zylinder teuer und aufwändig.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, auf einfache und kostengünstige Weise ein gleichmäßiges Zündverhalten auch bei unterschiedlichen Kraftstoffen zu erreichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Ionenstromsonden können kostengünstig in den Brennräumen solcher Brennkraftmaschinen angeordnet werden, wobei insbesondere mit Glühkerzen kombinierte Ionenstromsonden existieren und erhältlich sind. Da aus dem Ionenstromsignal in einfacher Weise der Zündzeitpunkt und damit der Zündverzug erhalten werden kann, kann durch Vergleich mit einem Vergleichsionenstromsignal oder Norm-Ionenstromsignal oder einem entsprechenden Zeit- oder Winkelsignal der von der Norm bzw. einem Normkraftstoff abweichende Zündverzug erfasst werden, und es kann dann eine entsprechende Verschiebung des Kraftstoff-Einspritzsignals bestimmt bzw. berechnet werden. Für diese zeitliche oder winkelmäßige Verschiebung des Kraftstoff-Anspritzsignals in Abhängigkeit des erfassten Ionenstromsignals kann somit auf einfache und kostengünstige Weise eine automatische Anpassung an unterschiedliche Kraftstoffe erfolgen, eine Anpassung von Motoren an die Kraftstoffqualitäten unterschiedlicher Länder ist daher nicht mehr erforderlich.

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

Zweckmäßigerweise wird das Kraftstoff-Einspritzsignal jeweils zeitlich oder winkelmäßig synchron mit dem Ionenstromsignal verschoben, beispielsweise rechnerisch, wobei sich das so verschobene Kraftstoff-Einspritzsignal bei den nachfolgenden Zündvorgängen auswirkt.

Zur Erhöhung der Genauigkeit wird als Ionenstromsignal ein gemitteltes und vorzugsweise normiertes Ionenstromsignal verwendet.

Die Korrektur des Kraftstoff-Einspritzsignals wird im einfachsten Falle im Betrieb ohne Voreinspritzung und ohne AGR (Abgasrückführung) durchgeführt. Ein dem Verbrennungsbeginn entsprechendes Zeit- oder Winkelsignal wird vorzugsweise durch eine Schwellwertüber- oder -unterschreitung, einen Steigungswechsel, eine Nullsteigung oder einen Vorzeichenwechsel der Kurvensteigung des Ionenstromsignals erfasst.

In Abhängigkeit der zeitlichen Differenz oder Winkeldifferenz zwischen dem jeweils erfassten Ionenstromsignal und dem Norm-Ionenstromsignal oder einen diesem entsprechenden Zeit- oder Winkelsignal wird in vorteilhafter Weise der Injektor-Ansteuerbeginn (Kraftstoff-Einspritzsignal) berechnet und festgelegt. Diese Berechnung kann zu einem früheren oder späteren Einspritzbeginn führen.

Das Norm-Ionenstromsignal oder ein entsprechendes Zeit- oder Winkelsignal ist in Abhängigkeit der jeweiligen Betriebsbedingungen in einem Speicher, vorzugsweise einem Kennfeld gespeichert, so dass in Abhängigkeit der jeweiligen Betriebsbedingungen der zugeordnete korrekte Einspritzbeginn abgefragt werden kann.

Der Injektor-Ansteuerbeginn (Kraftstoff-Einspritzsignal) wird zweckmäßigerweise in Abhängigkeit des erfassten Ionenstromsignals geregelt, um eine ständige Anpassung an die jeweilige Kraftstoffqualität schnell und einfach zu erreichen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens,
2 ein Signaldiagramm zur Erläuterung der Verhältnisse der unterschiedlichen Kraftstoffqualitäten und
3 ein entsprechendes Signaldiagramm nach der Korrektur des Verbrennungsbeginns durch Verschiebung des Kraftstoff-Einspritzsignals.
In dem in 1 dargestellten Blockschaltbild ist eine Brennkammer 10 eines Zylinders einer selbstzündenden Brennkraftmaschine, also beispielsweise eines Dieselmotors, schematisch dargestellt. In diese Brennkammer 10 greift ein Injektor 11 zum Einspritzen der jeweils erforderlichen Brennstoffmenge und eine Ionenstromsonde 12 ein. Als Ionenstromsonde 12 wird üblicherweise eine mit einer Ionenstromsonde kombinierte Glühkerze verwendet, jedoch kann auch prinzipiell eine separate Ionenstromsonde 12 vorgesehen sein. Sie besteht aus zwei voneinander isolierten Elektroden, an die eine elektrische Spannung von beispielsweise 200 V (positiv oder negativ) angelegt wird. Während der Verbrennung in der Brennkammer 10 kommt es insbesondere in der Flammenfront zu chemischer Ionisation, bei sehr hohen Temperaturen zusätzlich zu thermischer Ionisation. Auf Grund der an der Ionenstromsonde 12 angelegten Gleichspannung tritt ein Stromfluss zwischen den Elektroden der Ionenstromsonde 12 auf, der als Ionenstrom bezeichnet wird. Die Größe dieses Ionenstroms hängt von der angelegten Spannung und vom Ionisationsgrad der Gase ab. Dieser ist wiederum unter anderem bestimmt durch die Brennraumtemperatur, den Brennraumdruck, das Verbrennungs-Luft-Verhältnis, den Zündzeitpunkt, die Kraftstoffzusammensetzung sowie die eingespritzte Kraftstoffmenge.
Das erfasste Ionenstromsignal wird in einem Signalaufbereitungsmodul 13 aufbereitet. Üblicherweise wird der Strom mittels eines Messwiderstands in eine entsprechende Spannung umgesetzt. Die Ionenstromkurven aufeinanderfolgender Zündvorgänge werden dann gemittelt, so dass eine gemittelte Ionenstromkurve gebildet wird. Die Mittelung kann eine vorgebbare Zahl von Ereignissen umfassen, wobei jeweils die dieser Zahl entsprechende Anzahl vorangegangener Ereignisse verwendet wird. Die gemittelte Ionenstromkurve kann dann auch noch normiert werden, um die Weiterverarbeitung zu vereinfachen.
Im nachgeschalteten Auswertemodul 14 wird aus dem gemittelten und normierten Ionenstromsignal, also der Ionenstromkurve Ii (gemäß den 2 und 3) der Verbrennungsbeginn in der Brennkammer 10 abgeleitet, also der Zündzeitpunkt des Kraftstoffgemisches. Dies kann auf verschiedene Weise erfolgen. Beispielsweise kann ein Schwellwert vorgegeben werden, dessen Überschreitung durch die Ionenstromkurve diesen Zündzeitpunkt definiert. Um den Einfluss der im üblichen Betrieb vorgenommenen Voreinspritzung auszuschalten, kann diese Ermittlung des Zündzeitpunkts in einem Sonderbetriebszustand ohne Voreinspritzung durchgeführt werden. Dies ist jedoch nicht zwingend. Eine andere Methode besteht in der Erfassung des Spitzenwerts der Ionenstromkurve, der dadurch erfasst werden kann, dass die Steigung, also die erste Ableitung der Ionenstromkurve, zu Null wird. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass der Wechsel von einer positiven Kurvensteigung zu einer negativen Kurvensteigung (zweite Ableitung wird zu Null) beobachtet und erfasst wird. In jedem Fall wird am Ausgang des Auswertemoduls 14 ein Zeit- oder Winkelsignal erzeugt, das dem Verbrennungsbeginn bzw. Zündzeitpunkt entspricht.
In einem beispielsweise ein Kennfeld enthaltenden Speicher 15 sind Norm-Ionenstromsignale bzw. entsprechende Zeit- oder Winkelsignale gespeichert, die einem Norm-Kraftstoff entsprechen. Aus diesem Kennfeld wird in Abhängigkeit von Eingangsparametern a – c, die Einflussgrößen für den Zündzeitpunkt bzw. Zündverzug darstellen, ein Ausgangssignal vorgegeben, das einem Norm-Zündzeitpunkt eines Norm-Kraftstoffs entspricht. In einer Vergleichsstufe 16 wird nun der aus dem Ionenstromsignal abgeleitete und durch das Auswertemodul 14 erzeugte aktuelle Zündzeitpunkt mit dem aus dem Kennfeld des Speichers 15 entnommene Norm-Zündzeitpunkt eines Norm-Kraftstoffs verglichen und ein Differenzsignal erzeugt. Dieses Differenzsignal wird einer Motorelektronik 17 zur Steuerung von Motorfunktionen der selbstzündenden Brennkraftmaschine zugeleitet. Entsprechend der in der beschriebenen Weise ermittelten Zeit- oder Winkeldifferenz wird das Kraftstoff-Einspritzsignal zur Steuerung des Injektors 11 entsprechend zeitlich oder winkelmäßig versetzt, um die erfasste Ionenstromkurve bzw. den daraus abgeleiteten Zündzeitpunkt auf die Norm-Ionenstromkurve bzw. den Norm-Zündzeitpunkt überzuführen. Auf diese Weise werden die Auswirkungen auf die Zündung durch unterschiedliche Kraftstoffe automatisch kompensiert. Da die aus der zeitlichen Differenz oder Winkeldifferenz der Signale ermittelte Verschiebung des Kraftstoff-Einspritzsignals rechnerisch erfolgt, wirkt sich das so rechnerisch korrigierte Kraftstoff-Einspritzsignal erst für die nachfolgenden Zündvorgänge aus.
In 2 ist das Kraftstoff-Einspritzsignal S, der auf Grund des Zündverzugs zeitlich bzw. winkelmäßig später erfolgende, durch die Zündung in der Brennkammer 10 bewirkte gemittelte Heizverlauf H in dieser Brennkammer und das entsprechende, erfasste, normierte und gemittelte Ionenstromsignal Ii dargestellt. Die durchgezogenen Linien zeigen die Verhältnisse bei einem Normkraftstoff (Diesel A). Wird nun ein anderer Kraftstoff von abweichender Qualität (Diesel B) verwendet, so ergeben sich andere Verhältnisse, und die entsprechenden gestrichelten Linien zeigen einen größeren Zündverzug bei diesem Kraftstoff Diesel B. Während der Norm-Kraftstoff Diesel A ein Zündverzug von ca. 10° Kurbelwellenwinkel bewirkt, führt der Kraftstoff Diesel B gemäß Ausführungsbeispiel zu einem Zündverzug von ca. 15° Kurbelwellenwinkel.
Die Winkeldifferenz oder zeitliche Differenz zwischen dem aktuell verwendeten Kraftstoff (Diesel B) und dem Normkraftstoff (Diesel A) wird in der beschriebenen Weise ermittelt und daraus eine entsprechende Verschiebung des Einspritzsignals S. In 3 ist diese Verschiebung des Kraftstoff-Einspritzsignals S auf einen früheren Kurbelwellenwinkel dargestellt, was zu einer entsprechenden Verschiebung der aktuellen Ionenstromkurve für den Kraftstoff Diesel B (gestrichelte Linie) bewirkt. Diese Verschiebung wird so festgelegt, dass die Ionenstromkurve des aktuellen Dieselkraftstoffes mit der des Norm-Kraftstoffes übereinstimmt oder zumindest im Wesentlichen übereinstimmt.
Die Erfassung der Ionenstromkurve kann mit oder ohne Voreinspritzung erfolgen. Die Betriebspunkte mit Voreinspritzung werden über den jeweiligen Verbrennungsschwerpunkt geregelt.
Selbstverständlich kann durch die beschriebene Regelung des Kraftstoff-Einspritzsignals dieses relativ der Norm-Einstellung nach früh oder nach spät verschoben werden, d.h., bei einem Kraftstoff mit größerem Zündverzug muss der Kraftstoff früher eingespritzt werden und bei einem Kraftstoff mit geringerem Zündverzug muss eine spätere Einspritzung erfolgen.
Die in 1 dargestellten und beschriebenen Baugruppen 13-16 können selbstverständlich auch ganz oder teilweise Bestandteil der Motorelektronik 17 sein, also in der Motorelektronik integriert sein. Sie können jedoch auch ganz oder teilweise als separates Steuergerät aufgebaut sein.

Claims

Verfahren zur Bestimmung des Zündverzugs nach einem Kraftstoff-Einspritzsignal bei einer selbstzündenden Brennkraftmaschine durch Auswertung eines Ionenstromsignals, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kompensation von unterschiedlichem Zündverzug bei unterschiedlichen Kraftstoffen das Kraftstoff-Einspritzsignal (S) zeitlich oder winkelmäßig entsprechend der zeitlichen Differenz oder Winkeldifferenz zwischen dem jeweils erfassten Ionenstromsignal (Ii) und einem vorgebbaren Norm-Ionenstromsignal oder einem diesem entsprechenden Zeit- oder Winkelsignal verschoben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftstoff-Einspritzsignal (S) jeweils zeitlich oder winkelmäßig synchron mit dem Ionenstromsignal (Ii) verschoben wird, wobei sich das so verschobene Kraftstoff-Einspritzsignal (S) bei nachfolgenden Zündvorgängen auswirkt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ionenstromsignal (Ii) ein gemitteltes und vorzugsweise normiertes Ionenstromsignal ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrektur des Kraftstoff-Einspritzsignals (S) im Betrieb ohne Voreinspritzung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung des Verbrennungsbeginns (Zündzeitpunkt) eine Schwellwertüber- oder -unterschreitung, ein Steigungswechsel, eine Null-Steigung oder ein Vorzeichenwechsel der Kurvensteigung des Ionenstromsignals erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das dem Ionenstromsignal entsprechende Zeit- und Winkelsignal das dem Verbrennungsbeginn oder dem Zündzeitpunkt entsprechende Signal ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit der zeitlichen Differenz oder Winkeldifferenz zwischen dem jeweils erfassten Ionenstromsignal (Ii) und dem Norm-Ionenstromsignal oder einem diesem entsprechenden Zeit- und Winkelsignal der Injektor-Ansteuerbeginn (Kraftstoff-Einspritzsignal) berechnet und festgelegt wird.
Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Norm-Ionenstromsignale oder diesen entsprechende Zeit- oder Winkelsignale in Abhängigkeit der jeweiligen Betriebsbedingungen in einem Speicher (15), vorzugsweise einem Kennfeld, gespeichert sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Injektor-Ansteuerbeginn (Kraftstoff-Einspritzsignal) in Abhängigkeit des erfassten Ionenstromsignals geregelt wird.