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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen des Arbeitstakts eines
Zylinders eines Verbrennungsmotors nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Aus
der deutschen Offenlegungsschrift
DE 101 13 194 A1 ist ein Verfahren zum Erkennen
des Arbeitstakts eines Zylinders eines Verbrennungsmotors bekannt.
Hierbei wird der Druckverlauf in einem Zylinder erfasst und differenziert.
Für den
Fall, dass der differenzierte Druckverlauf einen Nulldurchgang aufweist
und im Bereich des Nulldurchganges monoton fallend ist, wird darauf
geschlossen, dass sich der betreffende Zylinder im Kompressionstakt
befindet.
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Dieses
Verfahren nach dem Stand der Technik weist jedoch den Nachteil auf,
dass der gesuchte Nulldurchgang des differenzierten Druckverlaufs
nicht einfach zu finden ist. Aufgrund von Resonanzen verläuft das Sensorsignal
in hohem Maße
unstetig, wodurch das differenzierte Sensorsignal sehr viele Nulldurchgänge aufweist.
Durch eine aufwändige
Filterung des Sensorsignals muss daher dafür gesorgt werden, dass alle
nicht relevanten Nulldurchgänge
des differenzierten Sensorsignals ausgefiltert werden und die relevanten
Nulldurchgänge
deutlich erkennbar bleiben.
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Aus
der deutschen Offenlegungsschrift
DE 41 14 797 A1 ist ein weiteres Verfahren
zum Erkennen eines jeweils aktuellen Arbeitstaktes eines Zylinders
eines Viertaktmotors bekannt. Dabei verfügt der Motor über einen
Kurbelwellen-Inkrement-Winkelgeber
und an jedem Zylinder über
einen Sensor zum Ausgeben eines brennraumdruckäquivalenten Signals. Zum Erkennen
der Arbeitstakte im Startfall des Motors werden die Signale von
den Sensoren erfasst und es wird derjenige Zylinder ermittelt, für den die
Sensorsignale ein Durchlaufen eines Druckmaximums anzeigen. Ist
ein Schwellwertdruck durch ein Sensorsignal überschritten, wird der betreffende
Zylinder als in den Expansionstakt eintretend beurteilt. Entsprechend
der Konstruktion des Motors wird den anderen Zylindern ein jeweiliger
Arbeitstakt zugeordnet.
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Nachteilig
bei diesem gattungsbildenden Verfahren ist der zum Bestimmen des
Druckmaximums im Brennraum erforderliche hohe Aufwand an Rechenzeit
und Speicherplatz in einem Motorsteuergerät.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein derartiges Verfahren zum
Erkennen eines jeweils aktuellen Arbeitstaktes eines Zylinders eines
Viertaktmotors dahingehend weiterzubilden, dass weniger rechnerischer
Aufwand notwendig ist und ein zugehöriger Algorithmus problemlos
in einem Motorsteuergerät
abgearbeitet werden kann.
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Gelöst wird
diese Aufgabe durch ein Verfahren mit ausgewählten Merkmalen des Anspruchs
1. Demnach weisen zum Erkennen eines Arbeitstakts der Verbrennungsmotor
einen Sensor zum Ermitteln eines Kurbelwinkels und ein oder mehrere
Zylinder einen Brennraumdrucksensor auf. Erfasst werden ein erster
Wert für den
Brennraumdruck bei einem ersten Kurbelwinkel (bzw. zu einem ersten
Zeitpunkt) und bei einem nachfolgenden zweiten Kurbelwinkel (bzw.
zu einem nachfolgenden zweiten Zeitpunkt) ein zweiter Wert für den Brennraumdruck
in jedem Zylinder. Aus diesen beiden Werten für den Brennraumdruck wird die Änderung
des Brennraumdrucks in jedem Zylinder ermittelt, bei einer Zunahme
des Brennraumdrucks in einem Zylinder auf einen Kompressionstakt
des betreffenden Zylinders und aufgrund der Konstruktion des Verbrennungsmotors auf
den Arbeitstakt der übrigen
Zylinder geschlossen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
weist gegenüber
dem Stand der Technik die Vorteile auf, dass mit Hilfe einfacher
Berechnungsformeln ein Kompressionstakt eines Zylinders und somit
auf den Arbeitstakt des Verbrennungsmotors geschlossen werden kann.
Daher kann ein darauf basierender Algorithmus problemlos in einem
Motorsteuergerät
abgearbeitet werden. Zudem wird schon vor Erreichen des maximalen
Brennraumdrucks die Kompression erkannt. Ein weiterer Vorteil besteht
darin, dass ein Nockenwellensensor, der zur Unterscheidung von Zünd- und Ladungswechsel-OT
(OT: obere Totpunktstellung eines Kolbens) dient, entfallen kann.
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Eine
bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist nach Anspruch 4 dadurch
gekennzeichnet, dass in der Startphase oder während des Betriebs des Verbrennungsmotors
auf einen Kompressionstakt des betreffenden Zylinders geschlossen
wird, wenn sich der zweite Wert für den Brennraumdruck um einen
Faktor vom zugehörigen
ersten Wert unterscheidet. Durch diese Maßnahme können Messwertverfälschungen
durch Rauschen oder durch das Digitalisieren des Messsignals zuverlässig ausgeschlossen
werden.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung gemäß Anspruch
7 wird vorgeschlagen, dass der Brennraumdruckverlauf zu einer Zustandserkennung
in Beziehung gesetzt wird. Eine Auswertung des Brennraumdruckverlaufs
gemäß Anspruch
9 wird dadurch vereinfacht und somit merklich erleichtert. Insbesondere
dann, wenn wie in Anspruch 8 vorgeschlagen, der Zustandserkennung
gemäß des Brennraumdruckverlaufs
lediglich drei Werte (–1,
0, +1) zugewiesen werden. Beispielsweise lässt sich der obere Totpunkt (OT)
im unbefeuerten Betrieb dann anhand eines Wechsels vom Wert +1 zum
Wert –1
der Zustandserkennung einfach detektieren, sowohl in der Startphase
als auch im Betrieb des Verbrennungsmotors. Im befeuerten Betrieb
kann eindeutig zwischen Zünd-
und Ladungswechsel-OT unterschieden werden bzw. es wird die Lage des
Druckmaximums detektiert (der maximale Brennraumdruck ist nur im
Betrieb ohne Verbrennung bei OT, findet eine Verbrennung statt,
liegt er meist erst später).
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Ansprüchen, der
Beschreibung oder den Figuren angegeben.
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Die
Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme
der Zeichnung erläutert.
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Dabei
zeigen:
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1 ein
Diagramm eines allgemeinen Druckverlaufs (Schleppkurve) in einem
Brennraum eines Verbrennungsmotors, aufgetragen über dem Kurbelwellenwinkel
und der Zeit,
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2 ein
Diagramm des Druckverlaufs (Schleppkurve) im Brennraum während des
Startvorgangs des Verbrennungsmotors mit Darstellung der Motorphasen,
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3a ein
Diagramm des Druckverlaufs (Schleppkurve) im Brennraum des Verbrennungsmotors
mit einer Zustandserkennung,
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3b ein
Diagramm mit zwei Druckverläufen
im Brennraum, eines ohne Verbrennung und eines mit Verbrennung,
beim Betrieb des Verbrennungsmotors mit einer Zustandserkennung,
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3c ein
Diagramm eines Druckverlaufs im Brennraum beim Betrieb des Verbrennungsmotors
mit einer Zustandserkennung,
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4 ein
Diagramm des Druckverlaufs (Schleppkurve) im Brennraum des Verbrennungsmotors
mit einer verfeinerten Zustandserkennung und
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5 ein
Ablaufschema zum Zuweisen eines Wertes für die verfeinerte Zustandserkennung
nach 4.
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Die
Erfindung eignet sich insbesondere zur Arbeitstakterkennung eines
Verbrennungsmotors.
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Die 1 zeigt
ein Diagramm 1 mit einer Kurve 2 eines allgemeinen
Druckverlaufs (Schleppkurve) in einem Brennraum eines Verbrennungsmotors,
wobei auf einer ersten Achse 3 der Brennraumdruck p über einer
zweiten Achse 4, dem Kurbelwellenwinkel α, und über einer
dritten Achse 5, der Zeit t, aufgetragen ist. Ein Kompressionstakt
eines Zylinders beginnt beispielsweise bei einem Kurbelwellenwinkel α0 (bzw.
einem Zeitpunkt t0) und verläuft über weitere Kurbelwellenwinkelwerte α1, αn, αn+1 usw.,
wobei beispielsweise der Kurbelwellenwinkel α0 einem
Zeitpunkt t0, der Kurbelwellenwinkel αn einem
Zeitpunkt tn, der Kurbelwellenwinkel αn+1 einem
Zeitpunkt t1 usw. entspricht.
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Beim
Kurbelwellenwinkel αn (bzw. zum Zeitpunkt tn)
herrscht im Brennraum ein Druck pn, beim
Kurbelwellenwinkel αn+1 (bzw. zum Zeitpunkt t1)
ein Druck pn+1 usw. Der Brennraumdruck p
eines Zylinders, der insbesondere mittels eines Brennraumdrucksensors
ermittelt wird, nimmt im Kompressionstakt erst ansteigende Werte
zwischen Null und einem Maximalwert 6, dann abfallende
Werte zwischen dem Maximalwert 6 und Null an. Der Maximalwert 6 entspricht
der oberen Totpunktstellung (OT) des Kolbens in einem betreffenden
Zylinder.
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Zur
Arbeitstakterkennung in der Startphase ist für jeden Zylinder eine Ermittlung
eines Startwertes p
0, des sogenannten Nullsignals,
notwendig. Dies geschieht im einfachsten Fall durch Messung eines
einzelnen Brennraumdruckwertes p
0 vor einem
Zeitpunkt t
start des Motorstarts (zum Zeitpunkt
t
0 wird beispielsweise das Bordnetz eingeschaltet):
p0 = p(t); t0 < t < tstart (1)oder durch
Messung mehrerer Brennraumdruckwerte p(t
i)
und Bildung eines zugehörigen
Mittelwertes:
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Die
Bedingung für
einen Druckanstieg im Brennraum eines bestimmten Zylinders lautet
im einfachsten Fall, dass ein gemessener Brennraumdruckwert p(α1)
eines bestimmten Zylinders größer ist
als der zugehörige Startwert
bzw. das Nullsignal p0: p(α1) > p(α0)
bzw. p(α1) > p0 (3)
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Um
Messfehler durch Rauschen oder durch das Digitalisieren des Messsignals
auszuschließen,
kann es sinnvoll sein, dass sich aufeinander folgende Drücke um einen
Faktor k > 1 voneinander
unterscheiden müssen: p(α1) > k·p(α0) (4)
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Mehr
Sicherheit beim Erkennen eines Druckanstiegs kann gewonnen werden,
wenn zwei oder mehrere Messungen einen höheren Druck als den jeweiligen
Vorgängerdruckwert
liefern: [p(αn+1) > k·p(αn)]
AND ... AND [p(α2) > k·p(α1)]
AND [p(α1) > k·p(α0)] (5)
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Weiterhin
kann an Stelle eines einzelnen Wertes p(α
1) bzw.
p(t
i) in den vorgenannten Berechnungsformeln
1 bis 5 ein gleitender Mittelwert
p(α
i)
verwendet werden:
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Im
laufenden Betrieb des Verbrennungsmotors ist auch ein Erkennen eines
Expansionstakts möglich, wenn
in den Berechnungsfomeln 3, 4 und 5 das Größerzeichen (>) durch ein Kleinerzeichen
(<) ersetzt wird: p(α1) < p(α0)
bzw. p(α1) < p0 (3') p(α1) < k·p(α0) (4') [p(αn+1) < k·p(αn)]
AND ... AND [p(α2) < k·p(α1)]
AND [p(α1) < k·p(α0)] (5')
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Eine
weitere Möglichkeit
zum Erkennen eines Kompressionstakts (in der Startphase oder im
Betrieb des Verbrennungsmotors) oder eines Expansionstakts (im Betrieb
des Verbrennungsmotors) besteht darin, die Steigung der Druckverlaufskurve
2 mit
Hilfe eines Differenzenquotienten Δp/Δα auszuwerten. Hierzu muss im Fall
eines Kompressionstaktes der Differenzenquotient Δp/Δα größer sein
als ein Grenzwert ∊ ≥ 0
bzw. im Fall eines Expansionstaktes kleiner als der kleiner als
der negative Grenzwert sein:
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Hierbei
ist der Grenzwert ∊ je nach Motortyp sinnvoll zu wählen, so
dass ein Kompressions- oder Expansionstakt sicher zu erkennen ist.
Zudem sollte die Differenz Δα = α2 – α1 der
Signalqualität
entsprechend ausreichend groß gewählt werden,
um zufällige
Schwankungen zu vermeiden. Und wiederum kann statt eines einzelnen
Messwertes für
p1 bzw. p2 ein Mittelwert p 1 bzw. p 2 verwendet
werden (entsprechend der Berechnungsformel 6).
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Eine
weitere Berechnungsmöglichkeit
besteht darin, dass eine gewisse Anzahl von aufeinander folgenden
Differenzenquotienten (entsprechend einer Kombination der Berechnungsformeln
5 und 7), gegebenenfalls mit Mittelwerten, größer oder gleich sind als ein
Grenzwert ∊ ≥ 0
(entsprechend einer Kombination der Berechnungsformeln 5, 6 und
7).
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2 zeigt
ein Diagramm 7 des Druckverlaufs (Schleppkurve) im Brennraum
anhand der Druckverlaufskurve 2 während des Startvorgangs des
Verbrennungsmotors mit Darstellung der Motorphasen, wobei wiederum
der Brennraumdruck p (Achse 3) über
dem Kurbelwellenwinkel α (Achse
4) aufgetragen ist. Die Motorphasen (4-Takt) I, II, III und IV stehen
für Kompression,
Expansion, Ausstoß und
Ansaugen. Beim Startvorgang des Verbrennungsmotors erfolgt, solange
der Arbeitstakt noch nicht erkannt wurde, noch keine Einspritzung
und somit auch keine Verbrennung, der Verbrennungsmotor wird durch
den Anlasser geschleppt.
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Beispielsweise
bei einem Kurbelwellenwinkel α0 erkennt der Brennraumdrucksensor einen
im Brennraum von einem konstanten Anfangswert aus zunehmenden Brennraumdruck
p, der bis zu einem Kurbelwellenwinkel αOT auf
einen maximalen Wert pSchlepp,max ansteigt
und bis zu einem Kurbelwellenwinkel αUT (UT:
untere Totpunktstellung eines Kolbens) wieder auf Null absinkt.
Aufgrund der Arbeitsweise und den Motorphasen eines 4-Takt-Verbrennungsmotors
kann man daraus schließen,
dass vom Kurbelwellenwinkel α0 an bis zum Kurbelwellenwinkel αOT eine
Kompression I stattgefunden hat.
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Weiterhin
kann man darauf schließen,
dass vor der Kompression I ein Ansaugen IV stattgefunden hätte und
nach Phase I vom Kurbelwellenwinkel αOT bis
zum Kurbelwellenwinkel αUT eine Expansion II und daran anschließend ein
Ausstoßen
III stattfinden wird.
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Somit
kann durch Messung des Brennraumdruckverlaufs und Kenntnis der zugehörigen genauen Werte
für die
Kurbelwellenwinkel α0, αOT und αUT auf den Arbeitstakt eines Zylinders und
aufgrund der Konstruktion auf die Arbeitstakte der übrigen Zylinder
des Verbrennungsmotors geschlossen werden.
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3a zeigt
ein Diagramm 8 des Druckverlaufs im Brennraum des Verbrennungsmotors,
bei dem wiederum mittels der Kurve 2 der Druckverlauf des
Brennraumdrucks p (Achse 3) beim Motorbetrieb ohne Verbrennung in
einem Brennraum eines Verbrennungsmotors über dem Kurbelwellenwinkel α (Achse 4)
aufgetragen ist. Zusätzlich
zeigt das Diagramm 8 eine Zustandserkennung (Zustandslabel) 9 an.
Der Zustandserkennung 9 wird beispielsweise bei zunehmendem
Brennraumdruck p gemäß der Kurve 2 vom
Kurbelwellenwinkel α0 an bis zum Kurbelwellenwinkel αOT,
entsprechend dem maximalen Brennraumdruck 6, ein Wert +1
zugewiesen, und bei abnehmendem Brennraumdruck p gemäß der Kurve 2 vom
Kurbelwellenwinkel αOT an bis zum Kurbelwellenwinkel αUT ein
Wert –1.
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Der Übergang
von Kompression (Zustandslabel +1) nach Expansion (Zustandslabel –1) erfolgt
in diesem Fall beim Kurbelwellenwinkel αOT = αpmax.
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3b zeigt
ein Diagramm 10 des Druckverlaufs im Brennraum des Verbrennungsmotors,
bei dem wiederum der Druckverlauf des Brennraumdrucks p (Achse 3)
in einem Brennraum eines Verbrennungsmotors über dem Kurbelwellenwinkel α (Achse 4)
aufgetragen ist. Zusätzlich
zum Druckverlauf im Betrieb ohne Verbrennung (Kurve 2-1)
ist mittels der Kurve 2-2 der Druckverlauf beim Motorbetrieb
mit Verbrennung dargestellt. Weiterhin zeigt das Diagramm 8 die
Zustandserkennung (Zustandslabel) 9 an. Der Zustandserkennung 9 im Betrieb
mit Verbrennung wird beispielsweise bei zunehmendem Brennraumdruck
p gemäß der Kurve 2-2 vom Kurbelwellenwinkel α0 an
bis zum Kurbelwellenwinkel αpmax2, entsprechend dem maximalen Brennraumdruck 6-2,
ein Wert +1 zugewiesen. Bei abnehmendem Brennraumdruck p wird gemäß der Kurve 2-2 vom
Kurbelwellenwinkel αpmax2 an bis zum Kurbelwellenwinkel αUT dem
Zustandslabel ein Wert –1
zugewiesen.
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Das
in 3a und 3b gezeigte
Prinzip der Zustandserkennung 9 lässt sich anwenden, um mit Hilfe
der Brennraumdruckmessung während
des Motorbetriebs eine Erkennung des Arbeitstaktes des jeweiligen Zylinders
zu ermöglichen.
Dabei ist der Zünd-OT eindeutig durch
das Signal des Kurbelwellensensors und dem Übergang des Zustandslabels
von +1 nach –1
bestimmt.
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In 3c ist
in einem Diagramm 13 ein weiterer Verlauf des Brennraumdrucks
p beim Betrieb des Verbrennungsmotors anhand einer Kurve 11 über dem
Kurbelwellenwinkel α (Achse
4) und die Zustandserkennung 9 dargestellt. Beim Einspritzen
des Kraftstoffs in den Brennraum kommt es zu einer Verbrennung,
die sich in einem Druckmaximum 12 zeigt, das deutlich vom
ersten Druckmaximum 6 bei OT separiert ist.
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Wird
nun analog zur 3a beispielsweise einem zunehmenden
Brennraumdruck p gemäß der Kurve 11 der
Zustandserkennung 9 ein Wert +1 zugewiesen, und einem abnehmenden
Brennraumdruck p ein Wert –1,
so entspricht der erste Übergang
vom Wert +1 zum Wert –1
der Zustandserkennung 9 dem Übertritt in die Expansionsphase
II (2) und in diesem (speziellen) Fall auch der oberen
Totpunktstellung (OT).
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In 4 ist
ein Diagramm 15 des Verlaufs (Schleppkurve) des Brennraumdrucks
p des Verbrennungsmotors mit einer verfeinerten Zustandserkennung 9 dargestellt.
Die Verfeinerung der Zustandserkennung 9 ergibt sich dadurch,
dass der Verlauf des Brennraumdrucks p gemäß der Kurve 2 in geeignete
Intervalle 14 unterteilt und jedem Intervall 14 ein
Wert (0, +1 oder –1)
für die
Zustandskennung 9 zugewiesen wird. Zur Berechnung in einem
bestimmten Intervall 14 des Wertes für die Zustandserkennung 9 kann
beispielsweise die Berechnungsformel 3, 4 oder 5 (Kompression, siehe
Beschreibung zur 1) verwendet werden; wird das Größerzeichen
(>) durch ein Kleinerzeichen
(<) ersetzt, kann
aus dem Wert für
die Zustandserkennung 9 auch eine Expansion erkannt werden
(Berechnungsformeln 3',
4', 5').
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Ein
Ablaufschema 22 zum Zuweisen eines Wertes für die verfeinerte
Zustandserkennung 9 nach 4 ist in 5 dargestellt.
Ein zugehöriger
Algorithmus ist beispielsweise Teil einer Motorsteuerungssoftware
und wird insbesondere in einem Motorsteuergerät abgearbeitet.
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In
einem ersten Funktionsblock 16 wird auf eine Druckbedingung „Kompression" hin getestet, zum
Beispiel gemäß der Berechnungsformel
3, 4 oder 5. Wird die Bedingung erfüllt, so wird in einen nachfolgenden Funktionsblock 17 verzweigt.
Im Funktionsblock 17 wird einem betreffenden Intervall 14 (4)
der Zustandserkennung 9, hier als Zustandslabel Takt_Zyl_X
bezeichnet, ein Wert +1 (Kompression) zugeordnet.
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Wird
die Bedingung nicht erfüllt,
wird in einen nachfolgenden Funktionsblock 18 verzweigt,
wo zum Beispiel gemäß der Berechnungsformel
3', 4' oder 5' auf die Druckbedingung „Expansion" hin getestet wird. Wird
die Bedingung erfüllt,
so wird in einen nachfolgenden Funktionsblock 19 verzweigt.
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Im
Funktionsblock 19 wird einem betreffenden Intervall 14 der
Zustandserkennung 9 (Takt_Zyl_X) ein Wert –1 (Expansion)
zugeordnet. Wird die Bedingung nicht erfüllt, wird in einen nachfolgenden
Funktionsblock 20 verzweigt, wo der Zustandserkennung 9 (Takt_Zyl_X)
dann ein Wert 0 zugeordnet wird, weil sich beispielsweise die Drücke in zwei
aufeinander folgenden Intervallen 14 um weniger als um
den Faktor k unterscheiden.
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Von
den Funktionsblöcken 17, 19 und 20 wird
in einen Funktionsblock 21, der das Ende des Ablaufschemas 22 darstellt,
verzweigt.
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Die
beschriebene Erfindung dient zur Arbeitstakterkennung eines Verbrennungsmotors,
wozu der Motor für
eine Zylinderdruckmessung mittels Drucksensor ausgerüstet ist.
Die Druckänderung
(Δp/Δα) in einem oder
mehreren Zylindern wird erfasst. Dort, wo der Druck zunimmt, befindet
sich der Zylinder im Kompressionstakt. Als zweite Information kann
eine Druckabnahme den Expansionstakt eines Zylinders anzeigen. Die Druckänderung
wird dabei über
einige Grad Kurbelwinkel beobachtet, als Anfangs- oder Referenzwert
dient das Signal des Drucksensors zu Beginn des Starvorgangs. Zusammen
mit der Zündreihenfolge
ist damit der Zustand des gesamten Motors bekannt.
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Der
in der Zündreihenfolge
dem erfassten Zylinder folgende kann für die erste Einspritzung benutzt werden.
Die Erkennung kann innerhalb von 120° KW (6-Zyl.) bzw. 180° KW (4-Zyl.)
erfolgen
