DE102007047723A1 - Pressure change determining method for engine cylinder of internal combustion engine i.e. four-stroke engine, in vehicle, involves detecting whether pressure change takes place within engine cylinder - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Druckänderung innerhalb eines Motorzylinders eines Verbrennungsmotors. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Ermitteln einer Druckänderung innerhalb eines Motorzylinders eines Verbrennungsmotors.The The invention relates to a method for determining a pressure change within an engine cylinder of an internal combustion engine. Furthermore it concerns the invention a device for determining a pressure change within an engine cylinder of an internal combustion engine.
Die
Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird im Folgenden am Beispiel eines Viertaktmotors beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf einen Viertaktmotor beschränkt, sondern auch auf andere Motortypen anwendbar.The The problem underlying the invention will be described below by way of example a four-stroke engine described. However, the invention is not on limited to a four-stroke engine, but also to others Motor types applicable.
Vor einem Einspritzen eines Kraftstoffs in einen Viertaktmotor zum Starten des Viertaktmotors ist es notwendig, festzustellen, in welcher Drehstellung sich eine Kurbelwelle hinsichtlich einer Drehstellung einer Nockenwelle des Viertaktmotors befindet. Dies ist erforderlich, da die Kurbelwelle des Viertakimotors sich mit einer doppelt so hohen Winkelgeschwindigkeit dreht als die Nockenwelle. Meist wird dabei der obere Totpunkt eines Kolbens ermittelt. Als Totpunkte bezeichnet man die Stellungen der Kurbelwelle des Viertaktmotors, bei welchen der Kolben keine Bewegung in axiale Richtung ausführt. Man unterscheidet dabei zwischen dem oberen und dem unteren Totpunkt. Befindet sich der Kolben in dem oberen Totpunkt, so ist eine Oberseite des Kolbens nahe am Zylinderkopf. Im unteren Totpunkt ist ein Abstand zwischen der Oberseite des Kolbens und dem Zylinderkopf größer.In front injecting a fuel into a four-stroke engine for starting of the four-stroke engine, it is necessary to determine in which rotational position itself a crankshaft with respect to a rotational position of a camshaft of the four-stroke engine is located. This is necessary because the crankshaft of the four-car engine at twice the angular velocity turns as the camshaft. Most is the top dead center of a Piston determined. Dead centers are the positions of the Crankshaft of the four-stroke engine, in which the piston no movement in the axial direction. One differentiates between the top and the bottom dead center. Is the piston in the top dead center, so is an upper surface of the piston near the cylinder head. At bottom dead center is a distance between the top of the piston and the cylinder head bigger.
Herkömmlicherweise wird der obere Totpunkt des Kolbens des ersten Zylinders mittels eines Geberrades ermittelt, welches an der Nockenwelle befestigt ist und auf einen feststehenden Nockenwellensensor einwirkt. Das Geberrad und der Nockenwellensensor sind zusammen jedoch relativ teuer. Zu sätzlich beansprucht das Anbringen des Nockenwellensensors an einem Viertaktmotor zusätzlichen Bauraum.traditionally, is the top dead center of the piston of the first cylinder means determined a donor wheel, which is attached to the camshaft is and acts on a fixed camshaft sensor. The The sender wheel and the camshaft sensor together are relative, however expensive. To additionally claimed attaching the camshaft sensor on a four-stroke engine additional space.
Wünschenswert wäre es deshalb, über eine kostengünstigere und/oder weniger Bauraum erfordernde Möglichkeit zum Ermitteln des oberen Totpunkts mindestens eines Kolbens zu verfügen.Desirable It would therefore be more cost effective and / or less space requiring possibility to determine of top dead center of at least one piston.
Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Ermitteln einer Druckänderung innerhalb eines Motorzylinders eines Verbrennungsmotors mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine entsprechende Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 11.The The invention provides a method for determining a pressure change within an engine cylinder of an internal combustion engine with the Features of claim 1 and a corresponding device with the features of claim 11.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass eine Bewegung eines Kolbens eines Verbrennungsmotors eine Druckänderung innerhalb des Motorzylinders und/oder eine mechanische Bewegung des Zylinderkopfes in Form von Körperschall bewirkt. Dabei wird auch ein in der Umgebung bereitgestellter, kostengünstiger Aktor zumindest leicht verformt.The The present invention is based on the recognition that a movement a piston of an internal combustion engine, a pressure change inside the engine cylinder and / or a mechanical movement causes the cylinder head in the form of structure-borne sound. there is also provided in the area, cheaper Actuator deformed at least slightly.
Durch diese leichte Verformung des Aktors wird eine Spannungsänderung an dem nicht aktiv angesteuerten Aktor erzeugt. Diese Spannungsänderung lässt sich mit einer kostengünstig herstellbaren und wenig Bauraum erfordernden Elektronik feststellen. Da auch der Aktor nur eine geringe Größe aufweisen muss, besteht somit eine kostengünstige und keinen zusätzlichen Bauraum erfordernde Möglichkeit zum Ermitteln eines oberen Totpunkts mindestens eines Kolbens des Verbrennungsmotors. Durch die Nutzung dieses sensitiven Effekts können der Nockenwellensensor und das Nockenwellengeberrad entfallen.By this slight deformation of the actuator becomes a voltage change generated at the non-actively activated actuator. This voltage change can be combined with a cost-effective and Determine little space requiring electronics. As is the actor only a small size must exist thus a cost-effective and no additional Space requiring possibility to determine an upper Dead center of at least one piston of the internal combustion engine. By the Use of this sensitive effect can be the camshaft sensor and the Nockenwellengeberrad omitted.
Ein zusätzlicher Vorteil ist, dass bei der Mehrzahl der Motoren der Aktor außerhalb des mit Öl benetzten Nockenwellengehäuses angebracht ist. Damit entfallen öldichte Kabelführungen oder Steckverbindungen zur Signalleitung.One additional advantage is that in the majority of engines the actuator outside the oil-wetted camshaft housing is appropriate. This eliminates oil-tight cable guides or connectors for signal line.
Der Aktor kann dabei ein piezoelektrischer Aktor, ein magnetrestriktiver Aktor oder einem Aktor aus einer magnetischen Formgedächtnislegierung sein. Beispielsweise ist der Aktor ein einzelner Piezokristall. Ein derartiger Aktor verhält sich durch die mechanische Vorspannung mittels einer Feder wie ein Feder-Masse-System. Ebenso können mehrere Piezokristalle, magnetorestriktive Kristalle oder mehrere Schichten einer Formgedächtnislegierung im nicht aktiv betriebenen Zustand auf eine Spannung, eine Spannungsänderung, einen Strom und/oder eine Stromänderung untersucht werden, um eine Druckänderung festzustellen.Of the Actuator can be a piezoelectric actuator, a magnetostrictive Actuator or an actuator made of a magnetic shape memory alloy. For example, the actuator is a single piezocrystal. Such a Actuator behaves by the mechanical bias means a spring like a spring-mass system. Likewise, several can Piezocrystals, magnetorestrictive crystals or multiple layers a shape memory alloy in non-actively operated State to a voltage, a voltage change, a Current and / or a current change are examined to to detect a pressure change.
Es wird hier darauf hingewiesen, dass es zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht nötig ist, einen aktuellen Druck im Zylinder als Zahlenwert zu bestimmen. Es ist ausreichend, die Zei ten oder die Kurbelwellenwinkel festzustellen, in welchen eine signifikante Druckänderungen auftritt. Allerdings kann die vorliegende Erfindung auch dazu verwendet werden, den Druckverlauf während eines Betriebs des Verbrennungsmotors zu bestimmen.It It is hereby noted that it is to carry out the process of the invention is not necessary is to determine a current pressure in the cylinder as a numerical value. It is sufficient to determine the times or crankshaft angles in which a significant pressure changes occurs. Indeed For example, the present invention can also be used to control the pressure progression during operation of the internal combustion engine.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird erkannt, dass ein aktueller Druck innerhalb des Motorzylinders zunimmt, sofern die gemessene Spannung größer als die Vergleichsspannung ist. Dabei wird die Vergleichsspannung bereitgestellt, indem zu mindestens einem vorhergehenden Zeitpunkt eine an dem nicht aktiv angesteuerten Aktor anliegende Spannung gemessen wird. Als Alternative oder als Ergänzung zu der Vergleichsspannung kann auch eine Vergleichsspannungsänderung, ein Vergleichsstrom und/oder eine Vergleichsstromänderung vorgegeben werden.In one embodiment of the method, it is recognized that an actual pressure within the engine cylinder increases, as far as the measured Voltage is greater than the reference voltage. In this case, the comparison voltage is provided by at least one previous time, a voltage applied to the non-actively driven actuator voltage is measured. As an alternative or in addition to the comparison voltage, a comparison voltage change, a comparison current and / or a comparison current change can also be specified.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird vor dem Messen der an dem nicht angesteuerten Aktor anliegenden Spannung eine an dem Aktor aufgegriffene Spannung auf den vorgegebenen Spannungsbereich gefiltert. Insbesondere wird dabei die an dem Aktor aufgegriffene Spannung auf einen Spannungsbereich zwischen –1 V und 1 V, vorzugsweise auf einen Bereich zwischen –300 mV und 300 mV, gefiltert. Auf diese Weise können die durch die Druckänderung in der Umgebung des Aktors bewirkten Spannungsänderungen nachgewiesen werden, ohne dass eine Messeinrichtung dabei durch zu hohe positive oder negative Störspannungen behindert wird. Vor allem besteht die Möglichkeit zum verlässlichen Messen von betragsmäßig kleinen Spannungen bis zu 200 mV mit schnellen Flanken, die z. B. bezüglich der Aktorspannung im Betrieb spannungsfest sind. Dabei kann die Aktorspannung im Betrieb einen Betrag zwischen 100 V bis 500 V haben.In A preferred embodiment of the method becomes available measuring the voltage applied to the non-driven actuator a voltage picked up on the actuator to the predetermined voltage range filtered. In particular, the act taken on the actuator is Voltage to a voltage range between -1 V and 1 V, preferably to a range between -300 mV and 300 mV, filtered. In this way, those through the Pressure change in the vicinity of the actuator caused voltage changes be detected without a measuring device thereby obstructed too high positive or negative interference voltages becomes. Above all, the possibility exists for reliable Measuring small amounts of voltage up to to 200 mV with fast edges, the z. B. with respect to the Actuator voltage during operation are voltage resistant. In this case, the actuator voltage in Operation have an amount between 100 V to 500 V.
Zusätzlich werden in einer Weiterbildung vor dem Messen Hochfrequenzstörungen herausgefiltert. Dies ist vorteilhaft, da Hochfrequenzstörungen, wie beispielsweise Handysignale, Spannungen in den an den Aktor angeschlossenen, relativ langen Leitungen erzeugen können. Durch das Herausfiltern dieser Hochfrequenzstörungen wird verhindert, dass fälschlicherweise die durch die Störsignale, beispielsweise Handysignale, bewirkten Spannungsänderungen als Druckänderungen innerhalb des Zylinders gewertet werden.additionally be in a training before measuring radio frequency interference filtered out. This is beneficial because high frequency noise, such as for example, mobile phone signals, voltages in the connected to the actuator, can produce relatively long lines. By filtering out this Radio frequency interference is prevented by mistake caused by the interference signals, for example cell phone signals, caused voltage changes as pressure changes within the cylinder.
In einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird mittels der erkannten Druckänderung eine Bewegung eines in dem Motorzylinder angeordneten Kolbens ermittelt. Beispielsweise wird erkannt, dass sich der Kolben in seinem oberen Totpunkt in dem Motorzylinder befindet, sofern die gemessene Spannung einen maximalen Spannungswert annimmt.In A preferred embodiment of the method is by means of detected pressure change a movement of a in the engine cylinder arranged piston determined. For example, it is recognized that the piston is in its top dead center in the engine cylinder, if the measured voltage assumes a maximum voltage value.
Als Alternative dazu kann mittels einer sprunghaften Richtungsänderung der Druckänderung der obere Totpunkt des Kolbens im Motorzylinder ermittelt werden. Durch die Bewegung des Kolbens wird die Luft im Zylinder komprimiert oder dekomprimiert. Dadurch ergeben sich Spannungsflanken bei der gemessenen Spannung. Der obere Totpunkt lässt sich damit verlässlich bestimmen.When Alternatively, by means of a sudden change of direction the pressure change the top dead center of the piston in the engine cylinder be determined. Due to the movement of the piston, the air in the Cylinder compressed or decompressed. This results in voltage edges at the measured voltage. The top dead center can be thus reliably determine.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird berücksichtigt, dass es sich bei Spannungsflanken auch um einen Störimpuls am Messeingang des Mikrorechners handeln kann. Deshalb wird mindestens ein zweiter Impuls abgewartet werden, bevor der Totpunkt bestimmt wird. Die Lage der zwei Impulse ist entsprechend den definierten Zündfolgen der Zylinder. Durch die Erkennung der Kurbelwellenlücke sind eindeutige Referenzen bezüglich der Stellung der Kurbelwelle zur Nockenwelle möglich. Ist die Zuordnung unplausibel, so muss ein weiterer Impuls abgewartet werden, bis sich eine plausible Zuordnung feststellen lässt. Auf diese Weise lässt sich eine verlässliche Referenz der Kurbelwellenlage bezüglich der Nockenwellenlage ermitteln.In a preferred embodiment is considered, that it is also an interference pulse at voltage edges can act on the measuring input of the microcomputer. That's why at least one wait second pulse before the dead point is determined. The location of the two pulses is in accordance with the defined ignition sequences the cylinder. By detecting the crankshaft gap are clear references regarding the position of the crankshaft to the camshaft possible. If the assignment is implausible, so another impulse must be awaited until a plausible Determine assignment. That way a reliable reference of the crankshaft position with respect to Determine camshaft position.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird als Aktor mit sensorischen Eigenschaften ein Injektor-Aktor bereitgestellt. Durch eine Druckänderung im Bereich des Motorzylinders kommt es bei einer Kompression oder bei einer Dekompression zu zumindest einer leichten Verformung des Zylinders, beispielsweise am Zylinderkopf. Diese Verformung wirkt sich auf den im Zylinderkopf eingebauten Injektor und den darin integrierten Aktor aus. Auf diese Weise wird eine Spannung in einem zu diesem Zeitpunkt nicht aktiv angesteuerten Aktor aufgebaut. In dieser bevorzugten Ausführungsform entfällt damit die Notwendigkeit zum Anbringen eines zusätzlichen Sensors, wie beispielsweise eines Nockenwellensensors, zum Ermitteln einer Referenz für die Kurbelwellenlagen. Sie bietet damit eine platzsparende und kostengünstige Möglichkeit zum Ermitteln dieser Referenz, da auf einen herkömmlicherweise schon vorhandenen Aktor eines Einspritzventils zurück gegriffen werden kann. Dies gewährleistet zusätzlich eine Multifunktionalität des Aktors des Einspritzventils.In Another preferred embodiment is as an actuator provided with an injector actuator with sensory properties. By a pressure change in the area of the engine cylinder it comes with a compression or a decompression at least a slight deformation of the cylinder, for example on the cylinder head. This deformation affects the built-in cylinder head Injector and the integrated actuator in it. This way will a voltage in a not actively driven at this time Actuator built. In this preferred embodiment eliminates the need to attach an additional sensor, such as a camshaft sensor, for determining a Reference for the crankshaft positions. It offers one space saving and cost effective way to Determine this reference as a conventionally already existing actuator of an injector used back can be. This additionally guarantees a multifunctionality the actuator of the injection valve.
Die in den oberen Abschnitten beschriebenen Vorteile gelten auch für eine entsprechende Vorrichtung. Das bisherige Schaltungskonzept zur Ansteuerung der Einspritzendstufen von Aktoren lässt sich auf einfache Weise um eine Messschaltung ergänzen. Aufgrund des Schaltungskonzepts werden dabei die Leistungsendstufen in ihrer prinzipiellen Wirkweise nicht verändert.The The advantages described in the upper sections also apply to a corresponding device. The previous circuit concept to control the injection output stages of actuators can be easily add a measuring circuit. by virtue of The circuit concept will be the power output stages in their principle of action not changed.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die entsprechende Vorrichtung ermöglichen es auch, eine Verpolung eines Injektors, einen deformierter Piezoaktor, ein gebrochenes Piezoelement oder eine Schicht-Delaminierung anhand der gemessenen Spannungssignale festzustellen. Des Weiteren lassen sich damit auch unterbrochene Leitungen, undichte Motorventile oder eine schlechte Kompression eines einzelnen Zylinders nachweisen.The inventive method and the corresponding Device also make it possible to reverse the polarity of an injector, a deformed piezoelectric actuator, a broken piezo element or a layer delamination based on the measured voltage signals determine. Furthermore, it can also be interrupted Lines, leaking engine valves or poor compression of a single cylinder prove.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:Further Features and advantages of the present invention will become apparent below explained with reference to the figures. Show it:
Die
piezoelektrische Aktoreinrichtung
Die
piezoelektrische Aktoreinrichtung
Der
Gleichspannungswandler
Innerhalb
der Leistungs-Endstufe
Durch
das Zusammenwirken der Fahrzeugbatterie
Zur
Bestimmung der Kurbelwellenlage ist eine Messung einer Druckänderung
mit einem Piezoaktor ausreichend. Dabei wird der Piezoaktor, beispielsweise
der Piezokristall
Erfindungsgemäß ist
innerhalb der beiden Leitungen, welche mit dem Piezokristall
Die
aus dem Kondensator C1, dem Transistor T1 und der Erdung G1 aufgebaute
Schaltung S1 dient dazu, den Piezokrisall
An
den zweiten Ankoppelpunkt
Hinter
dem Kondensator C2 ist ein Widerstand R1 angebracht. Dieser Widerstand
R1 dient zur Begrenzung von Hochspannungspulsen. Auf der von dem
Kondensator C2 abgewandten Seite des Widerstands R1 ist ein erster
Abzweigungspunkt
Hinter
dem ersten Abzweigungspunkt
Der
Kondensator C3 dient zusammen mit dem Widerstand R1 als Filter zum
Unterdrücken von Hochfrequenzstörungen auf die
von der Messeinrichtung
Durch
die Schaltungen S1 und S2 ist gewährleistet, dass nur Spannungen
innerhalb eines vorgegebenen Spannungsbereichs an der Messeinrichtung
Die
Messeinrichtung
Es
wird hier noch einmal darauf hingewiesen, dass zur Realisierung
der vorliegenden Erfindung nur die Schaltungen S1 und S2 an eine
herkömmliche Vorrichtung zum Steuern eines Aktors mit mindestens
einem Aktor angekoppelt werden müssen. Da die Elemente
der Schaltungen S1 und S2 kostengünstig sind und wenig
Bauraum erfordern, bietet sich somit eine einfach zu realisierende
Möglichkeit, eine Druckänderung innerhalb eines
Zylinderkopfs eines Verbrennungsmotors nachzuweisen und damit den
oberen Totpunkt des Kolbens zu bestimmen. Beispielsweise lassen
sich die Schaltungen S1 und S2 leicht in einem zentralen Steuergerät
anbringen und über einen Kabelbaum mit dem Piezokristall
In allen Schaltungen kann es sinnvoll sein, in Reihe zu einem Masseschalter einen Strombegrenzungswiderstand einzubauen, um die bei den schnellen und hohen Schaltflanken während eines Normalbetriebs der Leistungsendstufe auftretenden kapazitiven Verschiebungsströme in den parasitären Kapazitäten der Transistoren zu begrenzen.In All circuits may be useful in series with a ground switch install a current limiting resistor to those in the fast and high switching edges during normal operation of the Power output stage occurring capacitive displacement currents in the parasitic capacitances of the transistors to limit.
Mithilfe
der anhand der
Die
Wie
anhand der
Im Falle einer kapazitiven Kopplung der Messschaltung, welche insbesondere bei Aktoren mit hohen Betriebsspannungen notwendig ist, entsteht eine Differenziation der Signalform. Dabei ergeben die Signalstücke mit den größten Änderungsgeschwindigkeiten die größten Ausgangsamplituden. Dies kann vorteilhaft ausgenutzt werden, um nur oberhalb einer bestimmten Erkennungsschwelle ein digitales Signal an den Auswerterechner zu liefern. Die flachen Flanken erzeugen nur kleine Spannungen und liegen deshalb unterhalb der Schwelle. Abhängig von der Drehzahl, beispielsweise von einem Kurbelwellensignal, kann eine Schwellenverschiebung erfolgen, um die Auswertesicherheit zu erhöhen.in the Case of a capacitive coupling of the measuring circuit, which in particular is necessary for actuators with high operating voltages, creates a Differentiation of the waveform. This results in the signal pieces with the greatest change speeds the largest output amplitudes. This can be beneficial be exploited to only above a certain detection threshold to deliver a digital signal to the evaluation computer. The flat Flanks generate only small voltages and are therefore below the threshold. Depending on the speed, for example from a crankshaft signal, a threshold shift can occur to increase the evaluation security.
Bei einer derartigen Auswerteschaltung kann auf eine kapazitive Abblockung von Spannungen verzichtet werden. Besonders vorteilhaft ist dabei die Auswertung der Nulldurchgänge des Nutzsignals mittels einer für die induktive Inkrementalsensoren bekannten Methode, bei der diese Nulldurchgänge ausgewertet werden und eine Aktivierungswelle von einem Maximalwert des Signals oder des vorhergehenden Signals abgeleitet wird.at Such an evaluation circuit can be based on a capacitive blocking to be dispensed with. It is particularly advantageous the evaluation of the zero crossings of the useful signal by means a method known for inductive incremental sensors, in which these zero crossings are evaluated and a Activation wave from a maximum value of the signal or the previous one Signals is derived.
Dabei kann auch eine Verschiebung des Referenzwertes „Nulldurchgang" erfolgen, wenn eng beieinander zwei gleichartige Nulldurchgänge erfolgen oder kleinere Signale oder ein Rauschen zwischen den Nutzsignalen ausgeblendet werden muss. Eine Verschiebung des Referenzwerts in Richtung eines negativen Werts kann hier trotz Doppelflanken zu einer sicheren Auswertung führen, da die Amplitude einer angelegten Schwingung oder eines Rauschens im Signal erheblich kleiner ist. Die Schwellwertverschiebung kann zusätzlich zu der bekannten Abhängigkeit von einem Amplitudenmaximalwert oder einem vorhergehenden Signal auch noch abhängig von der aktuellen Impulsfrequenz, welche die Drehzahl wiedergibt, ausgeführt werden.there can also be a shift of the reference value "zero crossing" occur when closely spaced two similar zero crossings or smaller signals or noise between the wanted signals must be hidden. A shift of the reference value in Direction of a negative value can be here despite double edges to one lead to safe evaluation, since the amplitude of an applied Vibration or noise in the signal is considerably smaller. The threshold shift may be in addition to the known Dependence on an amplitude maximum value or a previous signal also still dependent on the current one Pulse frequency, which represents the speed executed become.
In
einer alternativen Ausführungsform kann die Erfindung auch
dazu genutzt werden, den im Motorzylinder herrschenden Druck anhand
der Spannungskurve U zu ermitteln. Dabei lassen sich Druckwerte,
wie sie für den Druck p in den
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |
Effective date: 20130501 |