-
Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erfassen
des Drucks im Brennraum einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors.
-
Der
Brennraumdruck einer Brennkraftmaschine ist abhängig von verschiedenen motorischen Betriebsbedingungen.
Er ist daher auch eine Größe die zum
Regeln der Brennkraftmaschine herangezogen werden kann. Zur Druckmessung
bei Brennkraftmaschinen werden vor allem piezoelektrische Schwingungsaufnehmer
eingesetzt, die zur Ermittlung des Druckverlaufs im Brennraum der
Brennkraftmaschine geeignet sind. Beim piezoelektrischen Effekt
wird durch Verformung eines gepolten piezoaktiven Keramikkörpers elektrische
Ladung verschoben, wodurch an flächigen
Elektroden Spannungsänderungen
auftreten. Durch Auswertung des Spannungsverlaufs oder durch Messung
des Stroms (Ladungsverschiebung) kann die momentane Druckänderung
und durch Integration über
Kurbelwellenwinkel, der Druckverlauf berechnet werden.
-
Die
Druckmessung in Zylindern von Brennkraftmaschinen setzt temperaturfeste
piezoelektrische Sensoren mit einer hohen Messgenauigkeit voraus.
Die Signale dieser Sensoren können
dann als Führungsgröße für Motormanagementsysteme
herangezogen werden. Der Zylinderdruckverlauf bietet eine weitgehend
vollständige
Information über
den Verbrennungsablauf. Aus einem messtechnisch ermittelten Verlauf
des Zylinderdrucks kann durch entsprechende Berechnungen eine Aussage
beispielsweise über
Innenwirkungsgrade, Gemischumsetzung, Reibleistung, Brennfunktion
oder auch Brenndauer geschlossen werden. Diese Größen erlauben unter
anderem eine Beurteilung der Güte
der Verbrennung.
-
Aufgrund
der hohen Integrationsdichte moderner Motoren weisen die Zylinderköpfe wenig
Platz für
je einen Drucksensor pro Zylinder auf. Des Weiteren sind zusätzliche
Bohrungen im Zylinderkopf unerwünscht.
-
Eine
Lösung
dieses Platzproblems liegt darin, den Drucksensor in ein bereits
in den Brennraum ragendes Element, wie beispielsweise eine Glühkerze oder
eine Zündkerze
zu integrieren (
DE
203 01 021 U1 ,
JP
2000 24 0498 A ,
EP
1 074 828 A2 ). Hierbei wird das Sensorelement in den Glühstift oder
die Zündkerze
integriert, so dass der Zylinderdruck auf das Sensorelement wirkt,
wodurch ein elektrisches Signal erzeugt wird.
-
Bei
diesem Drucksensorelement kann es sich um Sensorelemente zur Ionenstrommessung, zur
optischen, piezoelektrischen und/oder piezoresistiven Druckmessungen
handeln. Alle bekannten Systeme haben als Problem gemeinsam, dass
das vom Sensor erzeugte elektronische Rohsignal vor seiner Verstärkung leicht
durch elektromagnetische Störungen
verändert
werden kann und so die Messgenauigkeit des Sensors beeinträchtigt wird.
-
Weiter
benötigt
man bei unkalibrierten Sensoren in einem Steuergerät hinterlegte
exemplarspezifische Kennlinien und die jeweiligen Korrekturwerte des
betreffenden Sensors.
-
Ein
weiterer Nachteil solcher Sensoren liegt darin, dass die Kalibrierung,
Diagnose und Auswertung sensorspezifisch ist, so dass ein Austausch
des Sensors nur gegen einen Sensor des gleichen Typs möglich ist.
-
Eine
firmeninterne bekannte Lösung
dieses Problems liegt darin, dass ein Teil der Auswerteelektronik
in den Glühstift
integriert wird. Die Lösung
erfordert jedoch aufgrund der beengten Raumverhältnisse und der am Motorblock
auftretenden Umgebungsbedingungen (große Temperaturschwankungen,
großer
Temperaturbereich –30–120°C, Schwingungsbelastung
und hohe Anforderungen an die Dichtigkeit des Sensors) einen sehr
hohen technischen Aufwand, was den Glühstift mit der integrierten Auswerteelektronik
teuer macht.
-
Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren
zum Erfassen des Drucks in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine
zu schaffen, das eine genaue Messwerterfassung möglich macht und sich durch
einen kostengünstigen
Aufbau auszeichnet.
-
Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patenanspruchs
1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patenanspruchs 8
bzw. 9 gelöst.
-
Die
abhängigen
Ansprüche
betreffen vorteilhafte Weiterbindungen der Erfindung.
-
Die
Vorrichtung zum Erfassen eines Drucks weist einen Glühstift und
einen Drucksensor auf. Weiter weist die Vorrichtung eine Auswerteeinheit zum
Auswerten eines Signals des Drucksensors und eine Ansteuereinheit
zum Bereitstellen eines Steuersignals zum Steuern des Glühstifts
auf. Die Ansteuereinheit ist über
eine erste elektrische Leitung mit dem Glüh stift verbunden. Der Drucksensor
ist über eine
zweite elektrische Leitung mit der Auswerteeinheit elektrisch verbunden.
-
Die
Auswerteeinheit und die Ansteuereinheit sind elektrisch und logisch
miteinander verbunden. Durch diese logische und elektrische Verknüpfung kann
sicher gestellt werden, dass die Druckmessung selbst im Wesentlichen
frei von Artefakten ist, die durch die Ansteuerung der Glühstifte
anstehen.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
findet diese logische Verknüpfung
in Form eines Datenaustauschs zwischen der Auswerteeinheit und der
Ansteuereinheit statt. Dieser Datenaustausch kann des Weiteren auch über einen
Mikrocontroller erfolgen.
-
So
kann vorzugsweise die Ansteuerung der Glühstifte in Zeiträumen erfolgen,
in denen im Wesentlichen keine Druckmessung stattfindet.
-
Des
Weiteren kann im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform ein durch die Ansteuerung des
Glühstifts
entstehendes Artefakt aus dem gemessenen Drucksignal durch Bearbeiten
des Messsignals messtechnisch entfernt werden.
-
Bevorzugt
kann die Auswerteeinheit und die Ansteuereinheit räumlich in
einem ersten Steuergerät
angeordnet sein. Die für
die Glühstiftansteuerung bereits
vorhandene erste Leitung kann um eine zweite Leitung zum Verbinden
der Auswerteeinheit mit dem Drucksensor ergänzt werden. So entfällt eine aufwendige
Verkabelung bis zu einem zweiten Steuergerät der Brennkraftmaschine selbst.
-
In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
verfügt
das erste Steuergerät,
in dem die Auswerteeinheit und die Ansteuereinheit angeordnet sind, über eine
Schnittstelle, über
die es mit dem zweiten Steuergerät
der Brennkraftmaschine Daten austauschen kann. Bei dieser Schnittstelle
handelt es sich vorzugsweise um eine CAN-Bus-Schnittstelle. Eine
solche Schnittstelle vom ersten Steuergerät zum zweiten Steuergerät der Brennkraftmaschine
erweist sich als überaus
störsicher,
da keine Analogsignale übertragen
werden und auch keine schnelle Übertragung
sehr großer
Datenmengen stattfinden muss. Die Ansteuereinheit bereitet die Daten
der Drucksensoren so auf, dass die Daten der Drucksensoren segmentsynchron über die
Schnittstelle übertragen
werden können.
Hierbei entfällt
die Echtzeitanforderung an die Übertragung
der Druckdaten.
-
Ein
weiterer Vorteil, der sich durch die Verwendung eines zweiten Steuergeräts ergibt,
liegt darin, dass das zweite Steuergerät der Brennkraftmaschine entlastet
wird und so Systemresourcen wie beispielsweise Rechenzeit frei werden
und die üblichen
Mikrocontroller für
die Anwendung in der Automobiltechnik weiterhin verwendet werden
können.
-
Bevorzugt
ist der Drucksensor in dem Glühstift
integriert, wodurch kein weiterer Zugang zum Brennraum geschaffen
werden muss. Auf diese Weise wird der Druck im Brennraum über die
für den Glühstift vorhandene Öffnung gemessen.
-
Alternativ
oder zusätzlich
ist es möglich,
die erste und die zweite Leitung so zu kombinieren, dass die erste
Leitung zur Abschirmung der zweiten Leitung dient. Da die erste
Leitung aufgrund der hohen Ströme,
die zum Steuern des Glühstifts
notwendig sind, einen großen
Leitungsquerschnitt aufweist, ergibt sich ein guter Abschirmeffekt
für die
als Datenleitung benutzte zweite elektrische Leitung.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
umfasst die Verfahrensschritte der Ansteuerung eines Glühstifts
und der Auswertung eines Signals eines Drucksensors, wobei die Ansteuerung
des Glühstifts
im wesentlichen in einem Zeitraum erfolgt, in dem kein Drucksignal
gemessen wird oder die durch die Ansteuerung des Glühstifts
entstehenden Störungen aus
dem Messsignal herausgerechnet werden.
-
Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug
auf die beigefügten
schematischen Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
-
1 ein
schematisches Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung
zum Erfassen eines Drucks, und
-
2 eine
schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einem Ausführungsbeispiel einer
Vorrichtung zum Erfassen eines Drucks.
-
Bezugszahlen
von in einem Ausführungsbeispiel
mehrfach vorgesehenen, in ihrer Wirkung jedoch analogen Komponenten
sind durchnummeriert (jeweils ergänzt durch einen Punkt und eine
fortlaufende Zahl). Auf einzelne solcher Komponenten oder auf die
Gesamtheit dieser Komponenten wird im Folgenden auch durch die nicht
ergänzte
Bezugszahl Bezug genommen.
-
1 zeigt
ein Blockschaltbild eines ersten Steuergeräts 7, das eine Auswerteeinheit 1 zum
Auswerten eines Signals U6 eines Drucksensors 3 aufweist.
Weiter weist das erste Steuergerät 7 eine
Ansteuereinheit 4 auf, die ein Steuersignal U5, hier
einen Strom zum Ansteuern eines Glühstifts 2 bereitstellt.
Die aufbereiteten Drucksignale U6 werden
von der Auswerteeinheit 1 an einen Mikrocontroller 9 weiter
geleitet.
-
Die
Aufbereitung kann beispielsweise eine Verstärkung, Filterung und/oder Analog-Digital-Wandlung
des Drucksignals U6 umfassen. Weiter kann
in der Auswerteeinheit 1 eine Autokalibrierung des Sensors
oder auch eine Berechnung des Drucksignals selbst stattfinden.
-
Bei
diesem Mikrocontroller 9 kann es sich beispielsweise um
einen digitalen Signalprozessor (DSP) handeln. Der Mikrocontroller 9 ist
weiter mit der Ansteuereinheit 4 und einer Schnittstelle 8 elektrisch
verbunden. Die Schnittstelle 8 weist eine elektrische Verbindung 13 zu
einem zweiten Steuergerät 12 auf
(vgl. 2). Das zweite Steuergerät 12 ist hier ein
zentrales Steuergerät
einer Brennkraftmaschine, das beispielsweise die Einspritzung und
den Verbrennungsablauf des Motors eines Kraftfahrzeugs steuert.
-
Weiter
weist das Steuergerät 7 eine
Signalaufbereitung 10 auf, die ein Kurbelwellensignal U17, das von einem Kurbelwellenwinkelgeber 16 bereitgestellt
wird, aufbereitet und dem Mikrocontroller 9 und einem Ausgangstreiber 11 zuführt (vgl.
ebenfalls 2). Der Ausgangstreiber 11 führt das
aufbereitete Kurbelwellenwinkelsignal U17 über eine
Leitung 19 dem zweiten Steuergerät 12 zu.
-
Über eine
Strommesseinheit 20',
wird dem Mikrocontroller 9 ein Signal zugeführt, das
beispielsweise Aufschluss über
den dem Glühstift 2 zugeführten Strom
und/oder die Stromform gibt. Damit kann die Leistungsaufnahme und
damit die Funktion des Glühstiftes überwacht
werden.
-
Die
Strommesseinheit 20 kann beispielsweise im Steuergerät 7 angeordnet
sein und den Strom und/oder die Stromform des Stroms über Hall-Elemente
oder Strommesswiderstände
(Shunts) ermitteln.
-
Alternativ
kann eine Strommesseinheit 20' vorgesehen sein, die von einem
externen Sensor über
eine Leitung 23 ein Signal erhält, das ebenfalls Aufschluss über Strom
und/oder Stromform des dem Glühstift 2 zugeführten Stroms
gibt.
-
Die
Verbindung zu den Leitungen 5.1 und 5.2 ist hier
schematisch dargestellt. Es kann jedoch auch eine Verbindung zu
allen Signalleitungen 5.1, 5.2, 5.3 und 5.4 bestehen.
-
In
dem ersten Steuergerät 7 kann
die Signalaufbereitung, hier die Auswerteeinheit 1 und
der Mikrocontroller 9 zusammen mit der Ansteuereinheit 4 für die Glühstifte 2 integriert
werden. Hierdurch wird die ohnehin komplexe Verkabelung zwischen
Steuergeräten
und der Brennkraftmaschine vereinfacht. Des Weiteren wird ein in
dem zweiten Steuergerät 12 angeordneter
Mikrocontroller nicht mit der Signalerfassung, Filterung, Autokalibrierung
und Berechnung des Drucksignals belastet.
-
Des
Weiteren ermöglicht
die Integration der Auswerteeinheit 1 für den Drucksensor 3 in
das Steuergerät 7 eine
normierbare Schnittstelle zum Motorsteuergerät 12. Auf diese Weise
wäre eine
Einheit, die den Glühstift 2 mit
dem integrierten Drucksensor 3 und das erste Steuergerät 7 aufweist,
austauschbar, so dass ein Automobilhersteller verschiedene Einheiten
unterschiedliche Zulieferer problemlos einsetzen kann.
-
Durch
den Einsatz eines digitalen Signalprozessors in dem Steuergerät 7 kann
eine aufwendige winkelsynchrone Übertragung
von Echtzeitsignalen vermieden werden und anstelle derer eine segmentsynchrone Übertragung
der aufbereiteten Daten über die
Schnittstelle 8 an das zweite Steuergerät 12 übermittelt
werden. Bei diesen Daten kann es sich beispielsweise um ein Signal,
das Informationen über das
Erreichen des oberen Totpunkts gibt, oder einen effektiven Druckmittelwert
handeln.
-
Das
zweite Steuergerät 12 benötigt durch diesen
Aufbau keine zusätzlichen
Anschlüsse
für die einzelnen
Drucksensoren 3. Des Weiteren kann auf eine schnelle Digitalschnittstelle
an dem zweiten Steuergerät 12 verzichtet
werden. Die Versorgung mit den Druckdaten erfolgt über die
am zweiten Steuergerät 12 üblicherweise
vorhandene CAN-Schnittstelle 13.
-
2 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
eines schematischen Aufbaus der Brennkraftmaschine 14. Diese
weist einen Zylinderkopf 18 auf, in dem mehrere Glühstifte 2 angeordnet
sind, die jeweils einen integrierten Drucksensor 3 aufweisen.
Die Glühstifte 2 und
die Drucksensoren 3 sind jeweils über eine erste Leitung 5 bzw.
zweite Leitung 6 mit dem ersten Steuergerät 7 verbunden.
-
Der
durch die erste Leitung 5 fließende elektrische Strom kann
beispielsweise mit einem Hallelement 22 oder einem – nicht
dargestellten Shunt – erfasst
werden und über
eine Leitung 23 dem ersten Steuergerät 7 zugeführt werden.
-
Eine
Kurbelwelle 21 der Brennkraftmaschine 14 ist mit
einem Kurbelwellen-Winkelgeber-Rad 15 mechanisch verbunden.
Ein Kurbelwellen-Winkelgeber 16 zeichnet ein Signal, zumeist
ein optisches Signal auf, das Aufschluss über die Winkelstellung der Kurbelwelle
gibt. Der Kurbelwellen-Winkelgeber 16 ist über eine
Signalleitung 17 ebenfalls mit dem ersten Steuergerät 7 und
dort mit der Signalaufbereitung 10 elektrisch verbunden.
-
Des
Weiteren zeigt die 2 das zweite Steuergerät 12 mit
der Schnittstellenverbindung 13 und der Signalleitung 19, über die
das Kurbelwellensignal U19 von dem ersten
Steuergerät 7 an
das zweite Steuergerät 12 übertragen
wird.
-
Die
erste und die zweite Leitung 5, 6 können hier
beispielsweise verdrillt, koaxial oder parallel zueinander ausgeführt sein.
Auf diese Weise kann ein Abschirmeffekt der großen Leitungsquerschnitte der ersten
Leitung 5 zur Abschirmung der zweiten Leitung 6 ausgenutzt
werden.
-
Durch
die Integration der Auswerteeinheit 1 und der Ansteuereinheit 4 in
einem Steuergerät 7 können die
Schaltpunkte für
den Ansteuerstrom des Glühstifts 2 so
gewählt
werden, dass sie in einen Kurbelwellen-Winkelbereich oder Zeitbereich
fallen, in dem im Wesentlichen keine Drucksignalauswertung erforderlich
ist. Da die Ansteuerung der Glühstifte
zur Temperaturregelung relativ niederfrequent und zeitunkritisch
ist, kann die Ansteuerung so ausgelegt werden, dass die Druckmessung
Vorrang hat.
-
Alternativ
oder zusätzlich
kann eine durch die Ansteuerung der Glühstifte 2 erzeugte
messtechnische Störung
bei der Signalverarbeitung des Drucksignals herausgerechnet werden.
Durch eine Verknüpfung
der Ansteuereinheit 4 und der Auswerteeinheit 1 kann
bei bekannter Stromform und bekanntem An steuerzeitpunkt der Glühstifte 2 die
Störung
aus dem Messsignal entfernt werden.
-
Zur
Unterscheidung wurden hier die Signale, die von den entsprechenden
Leitungen geführt
werden durch einen Index UN bezeichnet.
Hierbei entspricht N dem Bezugszeichen der Leitung.