DE102006040410A1

DE102006040410A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Ermittlung eines Brennraumdrucksignals eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102006040410A1
Application number: DE200610040410
Authority: DE
Inventors: Simon Dipl.-Ing. Binder; Reinhold Dipl.-Phys. Braun; Walter Dipl.-Ing. Zipp (FH)
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2006-08-29
Filing date: 2006-08-29
Publication date: 2008-03-06

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung eines Brennraumdrucksignals eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs. Mit einer Erfassungseinheit (10) wird eine durch Körperschall verursachte mechanische Deformation oder Verschiebung erfasst und mit einer Signalerzeugungsstufe (11) wird ein mit der mechanischen Deformation oder Verschiebung korrelierendes Brennraumdrucksignal ermittelt. Zum Erfassen der Deformation oder der Verschiebung ist die Erfassungseinheit (10) an einem Gaswechselventil (3) eines Brennraums (2) des Verbrennungsmotors angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung eines Brennraumdrucksignals eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche 1 und 7.
Moderne Verbrennungsmotoren enthalten eine Reihe von Kontroll-, Steuer- und Regeleinrichtungen zur Ermittlung und Beeinflussung des Verbrennungsverlaufs, um möglichst effektiv und schadstoffarm betrieben werden zu können. Eine wichtige Größe aus der auf den Verbrennungsverlauf in einem Brennraum geschlossen werden kann, ist der im Brennraum herrschende Druck. Es sind verschiedene Einrichtungen zur Ermittlung des Brennraumdrucks bekannt.
Aus der DE 40 01 475 A1 ist zur Erfassung eines Drucks im Brennraum eines Verbrennungsmotors wenigstens eine Messkammer vorgesehen, die im Spalt zwischen einem Zylinderkopf und einem Zylinderblock des Verbrennungsmotors angeordnet und vom Brennraum durch eine zylinderseitige, verformbare Druckübertragungswand abgetrennt ist. Durch einen an die Messkammer angeschlossenen Druckaufnehmer wird eine direkte Erfassung des Brennraumdrucks erreicht, die weitgehend unabhängig von den Einflüssen und Schwingungen bewegter Massen des Verbrennungsmotors ist.
Aus der DE 196 22 651 A1 ist eine Zylinderdruckerfassungsvorrichtung bekannt. Zwischen einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung und einer Öffnung in einem Zylinderkopf, welche die Kraftstoffeinspritzeinrichtung aufnimmt, ist ein Zylinderdrucksensor in Form einer Befestigungsscheibe angeordnet. Der Zylinderdrucksensor erfasst entweder direkt oder anhand einer leichten Verschiebung der Kraftstoffeinspritzeinrichtung die Zylinderdruckschwankungen, welche durch die Verbrennung des Gemisches im Zylinder hervorgerufen werden. Ein Drucksignal wird über eine Signalleitung an eine externe Messschaltung übertragen, die für eine Verbrennungsbegrenzungssteuerung oder eine Fehlzünddiagnose in einem Verbrennungsmotor verwendet wird.
Gemäß der DE 41 11 869 A1 besitzt ein Zylinderkopf eine Gewindebohrung zur Aufnahme einer Zündkerze sowie eine in eine Verbrennungskammer sich öffnende Sensorgehäuseöffnung und einen in der Sensorgehäuseöffnung vorgesehenen Aufnahmebereich für einen Drucksensor. Der Drucksensor umfasst ein in die Sensorgehäuseöffnung eingesetztes Gehäuse mit einem Druckaufnahmebereich zum direkten Aufnehmen des Verbrennungsdrucks und ein im Gehäuse untergebrachtes piezoelektrisches Element, das eine dem vom Druckaufnahmebereich aufgenommenen Verbrennungsdruck entsprechende elektrische Spannung erzeugt. Der auf den Drucksensor wirkende Pressdruck, der an einem Presselement durch das Festziehen der Zündkerze erzeugt wird, wird über ein Vibrationsabsorbtionselement auf das Gehäuse des Drucksensors angelegt, um den Verbrennungsdruck unbeeinflusst von der Vibration der Zündkerze zu messen.
Aus der DE 42 38 863 A1 ist eine Vorrichtung zum Messen mechanischer Spannungszustände mittels eines magnetoelastischen Sensors bekannt. Auf ein Bauteil, dessen mechanische Span nungszustände gemessen werden sollen, wird eine Schicht aufgebracht, welche bei Dehnung oder Stauchung ihre magnetische Permeabilität ändert und damit den magnetischen Fluss in einer aus wenigstens einer Spule bestehenden Spulenanordnung beeinflusst, so dass die Änderung des magnetischen Flusses in der Spulenanordnung ausgewertet und aufgrund der Änderung des magnetischen Flusses auf den mechanischen Spannungszustand des Bauteils geschlossen werden kann.
Aus der DE 10 2004 045 151 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Brennraumdrucks in einem Verbrennungsmotor für ein Kraftfahrzeug bekannt. Hierbei werden Messwerte des Brennraumdrucks mit einem Drucksensor erfasst. Dabei wird mit Hilfe eines Modells bei jedem erfassten Messwert ein Fehler korrigiert, welcher aufgrund von Temperaturunterschieden zwischen einer Temperatur im Brennraum und einer Temperatur einer Umgebung des Brennraums auftritt. Es wird die Umgebung des Brennraums insbesondere durch einen Zylinderkopf, den mindestens einen Drucksensor und eine Kühlung des Zylinders gebildet. Insbesondere wird ein Wärmestrom aus dem Brennraum berechnet, mit dessen Hilfe ein Druckkorrekturwert bestimmt wird, welcher den erfassten Brennraumdruck korrigiert.
Aus der DE 103 27 147 A1 ist eine Vorrichtung zur Ermittlung eines Brennraumdrucks an zumindest einem Zylinder eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs bekannt, welche zur Ermittlung des Drucks einen Sensor aufweist, welcher an einer Zylinderaußenwand angeordnet ist und ein mit Dehnbewegungen der Zylinderaußenwand korreliertes Signal erzeugt.
Ausgehend von dem bisher genannten Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte, insbesondere eine genauere und zuverlässigere Ermittlung eines Brennraumdruck signals in einem Kraftfahrzeug zu ermöglichen. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, eine genauere Ermittlung eines Brennraumdrucksignals eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird jeweils gelöst mit den Gegenständen der unabhängigen Patentansprüche 1 und 7.
Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Eine sehr genaue und zuverlässige Ermittlung eines Brennraumdrucksignals eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs wird ermöglicht durch eine Vorrichtung mit einer Erfassungseinheit zum Erfassen einer durch Körperschall verursachten mechanischen Deformation oder Verschiebung. Die Erfassungseinheit ist hierbei an einem Gaswechselventil eines Brennraums des Verbrennungsmotors angeordnet. Die Vorrichtung umfasst zudem eine Signalerzeugungsstufe zum Ermitteln eines mit der mechanischen Deformation oder der Verschiebung korrelierenden Brennraumdrucksignals. Das Gaswechselventil steht in direktem Kontakt mit dem Brennraum, wodurch der Brennraumdruck sowie dessen Veränderungen unmittelbar auf das Gaswechselventil und daran angeordnete Teile übertragen werden. Besonders aufgrund seiner Eigenschaft als bewegliches Bauteil erfolgt in das Gaswechselventil zudem eine Einleitung von Körperschall, die unmittelbar durch den Brennraumdruck verursacht wird. Der Brennraumdruck und dessen Veränderung sind hierdurch mit hoher Genauigkeit und Zuverlässigkeit aus dem Körperschall im Gaswechselventil ableitbar. Anhand des auf diese Weise ermittelten Brennraumdrucks lassen sich wichtige Betriebsparameter des Motors vorteilhaft steuern oder regeln. Die vorbeschriebene Anordnung ist zudem kostengünstig und besonders verschleißarm. Ein weiterer Vorteil besteht in der Möglichkeit mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die Einflüsse von Alterungsprozessen mechanischer Bauteile bei der Ermittlung des Brennraumdrucks zu kompensieren. Beispielsweise ist das Verhalten von hydraulischen Dieselinjektoren kompensierbar.
In einer Weiterbildung der Erfindung erfasst die Erfassungseinheit ein aufgrund der Deformation oder der Verschiebung induziertes Magnetfeld. Insbesondere umfasst die Erfassungseinheit eine Induktionsspule, welche um den Ventilschaft angeordnet ist. Hierzu verfügt der Ventilschaft bevorzugt über einen magnetisierten Bereich. Beispielsweise wird ein magnetisierter Bereich im Ventilschaft dadurch gebildet, dass der Ventilschaft magnetisierte Partikel enthält. Diese Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist einerseits sehr verschleißarm und andererseits wird damit eine zusätzliche Positionsermittlung des Gaswechselventils ermöglicht.
Alternativ kann die Erfassungseinheit einen kraftempfindlichen Wandler, insbesondere einen Piezowandler umfassen, welcher in den Ventilschaft integriert ist. Hierbei wird nur ein sehr geringer Bauraum benötigt, wodurch die Einbaubarkeit erhöht wird.
Insbesondere mit einer der oben beschriebenen Vorrichtungen ist ein Verfahren zur Ermittlung eines Brennraumdrucksignals eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs möglich. Hierbei wird mittels der Erfassungseinheit eine mechanische Deformation oder Verschiebung erfasst und ein mit der mechanischen Deformation oder der Verschiebung korrelierendes Brennraumdrucksignal ermittelt. Weiterhin wird die Deformation oder Verschiebung mittels der Erfassungseinheit an einem Gaswechselventil eines Brennraums des Verbrennungsmotors er fasst. Mittels dieses Verfahrens ist eine direkt, schnelle und genaue Ermittlung des Brennraumdrucks möglich.
In einer Weiterbildung des Verfahrens wird mittels einer Signalverarbeitungseinheit unter Heranziehen des Brennraumdrucksignals eine Verbrennungsgröße ermittelt. Als Verbrennungsgröße wird beispielsweise ein Zylinderdruck, ein Zylinderdruckverlauf oder ein Zeitpunkt maximalen Zylinderdrucks ermittelt. Alternativ oder ergänzend wird als Verbrennungsgröße ein charakteristischer Wert für eine Gasdynamik im Brennraum, eine Gemischbildung, eine spektrale Verteilung von Brennraumpulsationen oder ein Brennverlauf von Voreinspritzmengen ermittelt.
Unter Heranziehen der Verbrennungsgröße erfolgt bevorzugt eine Regelung eines Betriebsparameters des Verbrennungsmotors. Insbesondere ist der Betriebsparameter ein Einspritzzeitpunkt, ein Einspritzverlauf, eine Einspritzmenge, ein Zündzeitpunkt oder eine Luftzufuhrmenge. Die Regelung erfolgt bevorzugt zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs, des Verschleißes, des Motorgeräuschs oder zur Verbesserung der Abgasqualität.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung soll anhand der einzigen Figur näher erläutert werden.
Es zeigt die einzige Figur einen Zylinder (1) eines Verbrennungsmotors mit einem Brennraum (2) und einem Gaswechselventil (3). Das Gaswechselventil (3) umfasst einen Ventilschaft (4) und einen magnetisierten Bereich (7) im Ventilschaft (4). Der Ventilschaft (4) des Gaswechselventils (3) wird jeweils teilweise umgeben von einer Ventilfeder (5) und einer Induktionsspule (6).
Die Induktionsspule (6) in Verbindung mit dem magnetisierbaren Bereich (7) im Ventilschaft (4) bilden die Erfassungseinheit (10). Diese Erfassungseinheit (10) ist mittels einer Signalleitung verbunden mit der Signalerzeugungsstufe (11).
Mittels der Erfassungseinheit (10) wird eine Verschiebung des Gaswechselventils (3), eine Deformation oder Verschiebung des Gaswechselventils (3) oder der Körperschall im Gaswechselventil (3) erfasst. Dies erfolgt insbesondere mittels einer Erfassung einer magnetischen Induktion mittels der Spule (6), welche hierfür im Ventilschaft (4) angeordnet ist. Hierbei dient das aus der Anordnung ausgekoppelte Deformationssignal oder Körperschallsignal als Datenbasis zur Analyse des Ablaufs von Gasdynamik, Gemischbildung und Verbrennung im Zylinder. Ein mittels dieser Vorrichtung ausgekoppeltes Deformationssignal oder Körperschallsignal beinhaltet nur sehr geringe Störanteile, die durch mechanische Einflüsse, wie beispielsweise die Nockenwelle oder Kipp- bzw. Schlepphebel, verursacht werden können.
Aus dem Deformationssignal oder Körperschall ableitbare Größen sind insbesondere die Verteilung der Brennraumdruckpulsationen oder der Brennverlauf von Voreinspritzmengen.
Zur Ableitung der oben genannten Größen werden insbesondere Methoden der Zeitfrequenzanalyse, der Fuzzy Logic oder Methoden der künstlichen Intelligenz, wie z. B. neuronale Netze, verwendet. Die hierdurch gewonnenen Analysegrößen werden insbesondere zur Steuerung oder Regelung der Verbrennungsparameter des Motors herangezogen. Insbesondere erfolgt eine Steuerung des Motors derart, dass der Verbrauch, die Abgasqualität oder die Geräuschentwicklung optimiert wird.
Bei einem Verbrennungsmotor, insbesondere bei einem Dieselmotor, sollen der Zeitpunkt des maximalen Brennraumdrucks sowie die charakteristischen Zeitpunkte typischer Energiefreisetzungen detektiert werden. Falls diese Zeitpunkte im Motorbetrieb von einem vorgebbaren Sollwert abweichen, kann dies anhand einer Analyse des an der Signalerzeugungsstufe (11) abgegriffenen Signals ermittelt werden. Durch eine geeignete Korrektur der Einspritzparameter, insbesondere der Voreinspritzmenge, des Voreinspritzzeitpunkts und des Haupteinspritzzeitpunkts können die detektierten Zeitpunkte auf ihre Sollwerte hin nachgeregelt werden. Insbesondere ist eine Motorregelung derart möglich, dass eine thermodynamische Gleichstellung aller Zylinder eines Motors erreicht wird.

Claims

Vorrichtung zur Ermittlung eines Brennraumdrucksignals eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs, mit einer Erfassungseinheit (10) zum Erfassen einer durch Körperschall verursachten mechanischen Deformation oder Verschiebung und mit einer Signalerzeugungsstufe (11) zum Ermitteln eines mit der mechanischen Deformation korrelierenden Brennraumdrucksignals, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erfassen der Deformation die Erfassungseinheit (10) an einem Gaswechselventil (3) eines Brennraums (2) des Verbrennungsmotors angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinheit (10) ein aufgrund der Deformation oder Verschiebung des Gaswechselventils (3) induziertes Magnetfeld erfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinheit (10) eine Induktionsspule (5) umfasst, welche um den Ventilschaft (4) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilschaft (4) einen magnetisierten Bereich (7) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Ventilschaft (4) magnetisierte Partikel angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinheit (10) einen kraftempfindlichen Wandler, insbesondere einen Piezowandler umfasst, welcher in den Ventilschaft (4) integriert ist.
Verfahren zur Ermittlung eines Brennraumdrucksignals eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs, bei dem mittels einer Erfassungseinheit (10) eine mechanische Deformation oder Verschiebung erfasst und ein mit der mechanischen Deformation oder Verschiebung korrelierendes Brennraumdrucksignal ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Deformation oder Verschiebung mittels der Erfassungseinheit (10) an einem Gaswechselventil (3) eines Brennraums (2) des Verbrennungsmotors erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Signalverarbeitungseinheit (11) unter Heranziehen des Brennraumdrucksignals eine Verbrennungsgröße ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Verbrennungsgröße ein Zylinderdruck, ein Zylinderdruckverlauf oder ein Zeitpunkt maximalen Zylinderdrucks ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Verbrennungsgröße ein charakteristischer Wert für eine Gasdynamik im Brennraum (2), eine Gemischbildung, eine spektrale Verteilung von Brennraumpulsationen, eine Impulshaltigkeit oder ein Brennverlauf von Voreinspritzmengen ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass unter Heranziehen der Verbrennungsgröße eine Regelung eines Betriebsparameters des Verbrennungsmotors erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsparameter ein Einspritzzeitpunkt, ein Einspritzverlauf, eine Einspritzmenge, ein Zündzeitpunkt oder eine Luftzufuhrmenge ist.