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Stand der
Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung
und/oder Regelung einer Brennkraftmaschine gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
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Es
sind die unterschiedlichsten Verfahren zur Steuerung von Brennkraftmaschinen
bekannt geworden. So werden beispielsweise bei dem aus der nicht
vorveröffentlichten
DE 10 2004 04 608.2 offenbarten
Verfahren und Vorrichtung zum Steuern einer Brennkraftmaschine ausgehend
von dem Signal eines Körperschallsensors
Merkmale gewonnen, die zur Regelung und/oder Steuerung von Betriebskenngrößen der
Brennkraftmaschine verwendet werden. Das Signal des Körperschallsensors
wird gefiltert, wobei niederfrequente Signalanteile selektiert werden,
um auf Vibrationen der Brennkraftmaschine zu schließen.
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Neben
der Erfassung der niederfrequenten Schwingungen ist auch die Erfassung
der Temperatur in den Brennräumen
der Brennkraftmaschine für die
Steuerung/Regelung der Brennkraftmaschine von Interesse. Aus dem
Stand der Technik sind zur Erfassung der lokalen Temperatur im Brennraum
der Brennkraftmaschine folgende Verfahren bekannt: Mehrfarbenpyrometrie,
Emissionsspektroskopie, Absorptionsspektroskopie, kohärente Anti-Stokes
Raman Spektroskopie, LIF, Ramanspektroskopie.
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Bei
Dieselmotoren wird seit über
60 Jahren die sogenannte Zweifarbenmethode zur Temperaturbestimmung
des strahlenden Rußes
angewendet. Dabei kann die Temperatur nach Auswertung des Planck'schen Strahlungsgesetzes
in Abhängigkeit von
den gemessenen spektralen Strahldichten und der gefilterten Wellenlängen bestimmt
werden. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Temperatur der Rußpartikel
mit der Flammentemperatur übereinstimmt.
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Darüber hinaus
existieren Verfahren, bei denen mit Hilfe von Infrarot-Absorptions-Bestimmungen und
spektralaufgelösten
Untersuchungen der sichtbaren und ultravioletten Emissionen von
Radikalspezies oder deren Intensitätsverhältnis zueinander das lokale
Luft-Kraftstoff-Verhältnis
im Brennraum bestimmt wird.
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Aus
der JP 2003-004633 A ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Bestimmung der Kraftstoffkonzentration einer Brennkraftmaschine
bekannt geworden, bei dem von einer Infrarotlichtquelle emittiertes
Infrarotlicht mittels eines Saphirstabes in einen Brennraum eingeleitet
wird, sich in dem Brennraum über
eine kurze Wegstrecke ausbreitet und mittels eines Saphirstabs,
der ebenfalls im Brennraum angeordnet ist, empfangen, aus dem Brennraum
heraus geleitet und einem Infrarotdetektor zugeführt wird. Das Signal wird außerhalb
des Brennraums verarbeitet. Der detektierte Wert wird korrigiert
durch die thermische Strahlung in dem Brennraum, die in entsprechender
Weise nach Abschalten der Infrarotlichtquelle erfasst wird. Aufgrund
der so bestimmten Lichtintensität
wird auf die Kraftstoffkonzentration geschlossen.
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Die
steigenden Anforderungen der Gesetzgebung an die Emissionen von
Brennkraftmaschinen erfordern nun zunehmend Verfahren zur Steuerung und
Regelung von Brennkraftmaschinen, weiche eine gezielte Beeinflussung
des zeitlichen Verlaufs der Verbrennung erforderlich machen. Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine
Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine zu vermitteln,
welche es ermöglichen,
die Temperatur im Brennraum und damit die Verbrennungsphasen und/oder
deren Verlauf und/oder deren Lage gezielt zu beeinflussen.
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Vorteile der
Erfindung
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale der unabhängigen
Ansprüche
gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Verfahrens und der Vorrichtung
sind Gegenstand der auf die unabhängigen Ansprüche rückbezogenen
Unteransprüche.
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Grundidee
der Erfindung ist es, das Temperaturspektrum im Brennraum der Brennkraftmaschine
aufgrund eines Infrarot-Lichtintensitätsspektrums zu bestimmen. Das
Infrarot-Lichtintensitätsspektrum wird
mit Hilfe eines das Innere des Brennraums detektierenden Infrarot-Sensors
bestimmt. Das Verfahren macht sich dabei das Gesetz von Stefan und Boltzmann
zunutze, welches den Zusammenhang zwischen der Lichtabstrahlung
und der Temperatur eines Körpers
beschreibt. Der Infrarot-Sensor misst die Emission des Lichts in
einem vorgebbaren infraroten Wellenlängenbereich. Die so gemessene Lichtintensität wird dann
durch Berechnung einer entsprechenden Temperatur zugeordnet. Aus
dem Temperaturverlauf lassen sich einzelne Verbrennungsphasen und
deren Lage ableiten. Darüber
hinaus ist es möglich,
die Lichtintensität
einzelnen Einspritzvorgängen
zuzuordnen und die so gewonnene Information zur Regelung der Brennkraftmaschine heranzuziehen.
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Da
die Gastemperatur während
der Kompressionsphase stark sowohl von dem in dem Brennraum existierenden
Kraftstoff-Luft-Verhältnis
als auch von der sogenannten Abgasrückführrate abhängt, ist es möglich, die
aus dem Infrarot-Signal abgeleiteten Temperaturen zusätzlich zur
Erkennung eines möglichen
Abgasrückführraten-Fehlers
heranzuziehen. Es ist ferner möglich,
während
des Ladungswechsels, bei dem zylinderindividuelle Drücke sich
kaum unterscheiden, anhand der unterschiedlichen Temperaturen die
Ungleichverteilung der Abgasrückführung zwischen
einzelnen Zylindern zu bestimmen.
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Der
wenigstens eine Infrarot-Sensor ist vorteilhafterweise in einer
Zylinderwand eines den Brennraum bildenden Zylinders der Brennkraftmaschine
angeordnet.
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Eine
andere Ausführungsform
sieht vor, den wenigstens einen Infrarot-Sensor im Zylinderkopf
eines den Brennraum bildenden Zylinders anzuordnen.
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Dabei
könnten
die Sensoren selbst in der Zylinderwand bzw. in dem Zylinderkopf
verbaut sein. Möglich
ist es aber auch, das Infrarot-Lichtsignal mittels eines Lichtwellenleiters
an einen entfernt von der Zylinderwand bzw. von dem Zylinderkopf
angeordneten Infrarot-Sensor weiterzuleiten. In diesem Falle mündet der
Lichtwellenleiter in der Zylinderwand bzw. in den Zylinderkopf.
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Ein
großer
Vorteil der Verwendung von Infrarot-Sensoren besteht darin, dass
diese die von dem Gas/der Flamme im Brennraum abgestrahlte Infrarot-Energie
kontaktlos messen und gegen Verschmutzung/Rußablagerung in großem Maße unempfindlich
sind. Auch die Nachkalibrierung des Signals in vorbekannten Betriebszuständen ist
bei der Verwendung von Infrarot-Sensoren auf einfache Weise durchführbar. Ein
weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, dass die Resonanzfrequenz
eines Infrarot-Sensors weit entfernt von Schwingungen der Brennkraftmaschine
bzw. von Brennraumschwingungsfrequenzen liegt, sodass ein stabiles
und sicheres Arbeitsverhalten gegeben ist.
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Besonders
vorteilhaft ist es auch, dass der aus dem Signal des Infrarot-Sensors
ermittelte Temperaturverlauf eine eindeutige Lageinformation über die
einzelnen Verbrennungsphasen sowie deren Übergänge ermöglicht. Diese Information kann
dann einer Berechnung der Regelgröße zugrunde gelegt werden.
Da für
die Lageberechnung die Anforderungen an die Genauigkeit der Verbrennungsintensität nicht
sehr hoch ist, sind die Genauigkeitsanforderungen an die Sensoren
entsprechend geringer.
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Zeichnung
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden
Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen
der Erfindung. In der Zeichnung zeigen:
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1 schematisch
ein erstes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Steuerung einer Brennkraftmaschine;
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2 schematisch
ein zweites Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Steuerung einer Brennkraftmaschine;
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3 schematisch
ein drittes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Steuerung einer Brennkraftmaschine;
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4 schematisch
den Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens
und
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5 schematisch
den Ablauf einer Ausgestaltung des in 4 dargestellten
erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist
schematisch ein Zylinder 100 einer Brennkraftmaschine dargestellt.
Der Zylinder 100 umfasst eine Zylinderwand 110,
die einen Brennraum 102 begrenzt, in dem sich ein Kolben 105 auf
an sich bekannte Weise auf- und abwärts bewegt. In einem Zylinderkopf 111 sind
Einlassventile 114 und Auslassventile 116, die
Einlasskanäle 115 bzw.
Auslasskanäle 117 öffnen und
verschließen,
angeordnet. Des Weiteren ist in dem Zylinderkopf 111 ein
Einspritzventil 112 angeordnet.
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In
einem die Zylinderwand 110 umgebenden Hohlraum 121 ist
nun beispielsweise ein Kühlwassertemperatursensor 120 angeordnet,
der die Temperatur des Kühlwassers
in dem Hohlraum 121 erfasst. Ferner ist in der Zylinderwand 110 vorzugsweise
im oberen Bereich des Zylinders 100 ein Infrarot-Temperatursensor 130 angeordnet,
dessen Ausgangssignal einer Signalverarbeitungseinrichtung 190 zugeführt wird.
Aufgrund der thermischen Belastung des Infrarot-Temperatursensors 130 weist
dieser eine Kühlung
auf. Bei der Anordnung in der Zylinderwand wird der Infrarot-Temperatursensor 130 sehr
vorteilhaft durch das Kühlwasser
in dem Hohlraum 121 gekühlt.
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Die
Signalverarbeitungseinrichtung 190 weist Mittel auf, die
ausgehend von diesem Signal ein Merkmal gewinnen, das zur Regelung
und/oder Steuerung von Betriebskenngrößen der Brennkraftmaschine
verwendet wird. Der Infrarot-Sensor 130 ist so angeordnet,
dass er das Innere des Brennraums 102 erfasst. Mittels
des Infrarot-Sensors 130 wird ein Lichtintensitätsspektrum
gemessen, das durch Umrechnung in der Signalverarbeitungseinrichtung 190 einem
Temperaturspektrum zugeordnet wird. Aus dem so erfassten Temperaturverlauf
werden Rückschlüsse auf
einzelne Verbrennungsphasen und deren Lage gezogen. Diese können auch
einzelnen Einspritzvorgängen
zugeordnet werden und auf diese Weise zur Steuerung und/oder Regelung
der Brennkraftmaschine herangezogen werden.
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Das
in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet
sich von dem in 1 nur dadurch, dass der Infrarot-Temperatursensor 130' in diesem Falle
im Zylinderkopf 111 beispielsweise benachbart dem Einspritzventil 112 angeordnet
ist. Im Übrigen
sind in 2 gleiche Merkmale mit den gleichen
Bezugszeichen wie in 1 beschrieben, sodass bezüglich deren
Beschreibung auf die vorstehenden Ausführungen Bezug genommen wird.
Die Kühlung
des Infrarot-Temperatursensors 130' kann in diesem Falle ebenfalls
durch das Kühlwasser
der Brennkraftmaschine erfolgen, wobei in diesem Falle entsprechende
Kühlwasserkanäle zum Sensor
hin vorgesehen sind.
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Das
in 3 dargestellte weitere Ausführungsbeispiel unterscheidet
sich von dem in 2 dadurch, dass der Infrarot-Sensor 130'' nicht direkt im Zylinderkopf 111 angeordnet
ist. Das im Brennraum 102 erfasste Lichtspektrum wird hier
mittels eines Lichtwellenleiters 132, der im Brennraum 102 mündet, dem
Infrarot-Sensor 130'' zugeführt. Der
Infrarot-Sensor 130'' ist in diesem Falle außerhalb
des Brennraums 102 angeordnet. Diese Ausführungsform
bietet sich insbesondere bei beengtem Bauraum im Zylinderkopf 111 an.
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Es
versteht sich, dass die Anordnung eines Lichtwellenleiters 132 statt
im Zylinderkopf 111 auch in der Zylinderwand 110 vorgesehen
sein kann. In diesem Falle wäre
statt des in 1 dargestellten Infrarot-Temperatursensors 130 ein
in der Zylinderwand 110 mündender Lichtwellenleiter vorgesehen, der
mit einem außerhalb
des Zylinders 100 angeordneten Infrarot-Temperatursensor 130 verbunden
ist. Eine solche Anordnung des Infrarot-Temperatursensors 130 hat
insbesondere im Hinblick auf dessen thermische Belastung erhebliche
Vorteile, da dieser nicht unmittelbar im Brennraum 102 der
Brennkraftmaschine angeordnet ist.
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Nachfolgend
wird in Verbindung mit 4 und 5 ein Verfahren
zur Steuerung einer Brennkraftmaschine detailliert beschrieben.
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Zur
Steuerung/Regelung einer Brennkraftmaschine 410 ist zunächst eine
Vorsteuerung 420 vorgesehen, welche einen Steller-Sollwert
berechnet und eine Stellgröße 421 ausgibt.
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Die
Regelung der Brennkraftmaschine erfolgt aufgrund von Betriebspunktgrößen 402 und
Umwelteinflüsse
charakterisierende Eingangsgrößen 404 durch
eine Verbrennungslage-Sollwertberechnung 440,
welche einen Sollwert 441 ausgibt. Aufgrund eines Zylindertemperatursignals 411,
welches – wie
oben beschrieben – durch
Infrarot-Temperatursensoren 130 und/oder 130' und/oder 130'' in den Zylindern der Brennkraftmaschine 410 erfasst
wird, erfolgt eine Lage-Istwertberechnung 450, die einen Istwert
der Verbrennungslage 451 ausgibt. In einem Verknüpfungspunkt 455 wird
die Sollwertlage von der Istwertlage subtrahiert und die Differenz
einem Lageregler 460 zugeführt, welcher eine Stellgrößenkorrektur 461 bestimmt,
die zu der von der Vorsteuerung 420 ermittelten Stellgröße 421 addiert
wird. Auf diese Weise ist eine kontinuierliche Regelung der Brennkraftmaschine 410 aufgrund
der Zylindertemperatursignale 411, die durch die Infrarot-Sensoren
erfasst werden, möglich.
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Grundsätzlich kann
die Regelung eines temperatursignalbasierten Systems ähnlich einem
drucksignalbasierten System erfolgen. Der Unterschied besteht hauptsächlich in
der Bestimmung der Lageberechnung aus der Temperatur. Hierzu kann
beispielsweise eine Größe direkt
aus dem Temperaturverlauf ermittelt werden. Eine andere Möglichkeit
besteht darin, mit Hilfe von thermischen Zustandsgleichungen den
Druckverlauf aus dem Temperaturverlauf zu ermitteln und daraus die
Lage mittels thermodynamischer Gesetze quantitativ zu berechnen.
In diesem Falle ist allerdings die Angabe einer Massenmitteltemperatur
Voraussetzung.
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Durch
vorbeschriebenen Vergleich der Istlage mit der Solllage und der
daraus gebildeten Regelabweichung wird die Eingangsgröße im Regelkreis bestimmt.
Denkbar ist hierbei beispielsweise die Einspritzzeiten als Stellgröße für die Lageregelung
zu verwenden. Für
eine verspätete
Verbrennungslage wird die Einspritzzeit in Richtung früh verschoben. Der
Regler arbeitet dabei so lange, bis die gewünschte Lage mit vorgebbarer
Toleranz erreicht wird. In entsprechender Weise können Kenngrößen für Voreinspritzmengen
oder andere Einspritzparameter ermittelt und geregelt werden.
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Bei
dem in 5 schematisch dargestellten Verfahrensablauf sind
gleiche Elemente wie bei dem in 4 dargestellten
Verfahrensablauf mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass bezüglich deren Beschreibung
auf das Vorstehende vollinhaltlich Bezug genom men wird. Im Unterschied
zu dem in 4 dargestellten Regelverfahren
ist bei dem in 5 dargestellten Regelverfahren
eine zusätzliche
Abgasrückführratenregelung
vorgesehen. Hierzu werden Betriebspunktgrößen 402 und Umwelteinflüsse charakterisierende
Größen 404 einer
Abgasrückführraten-Sollwertberechnung 510 zugeführt, welche
einen Sollwert der Abgasrückführrate 511 bestimmt. Die
Zylindertemperatursignale 411 werden einer Abgasrückführraten-Istwertberechnung 520 zugeführt, welche
einen Istwert der Abgasrückführrate 521 bestimmt,
der durch einen Filter 540 gefiltert wird. In einem Verknüpfungspunkt 515 erfolgt
die Bestimmung der Regelabweichung durch Bildung der Differenz des
Sollwerts der Abgasrückführrate 511 und
des Istwerts der Abgasrückführrate 521.
Diese Regelabweichung wird einem adaptiven Abgasrückführratenregler 550 zugeführt, der
eine Stellgrößenkorrektur
der Abgasrückführrate 551 ermittelt.
Der Filter 540 dient dazu, die arbeitsspielsynchron erfasste
Abgasrückführrate in
ein zeitsynchrones langsames Signal zu wandeln. Der Abgasrückführratenregler 550 muss
in diesem Fall relativ langsam ausgelegt werden, um die Stabilität des gesamten
Systems nicht nachteilig zu beeinflussen. Hierdurch ist es möglich, die
Abgasrückführrate nur
dann zu korrigieren, wenn ein Abgasrückführratenfehler erkannt wird.
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Die
in 4 und 5 beschriebenen Regelstrategien
können
Teil einer Steuereinrichtung, beispielsweise eines Motorsteuergeräts sein.
Sie können
als Computerprogramm implementiert sein.