DE10236615A1

DE10236615A1 - Verfahren zum Erfassen eines den Druck im Brennraum einer mit Direkteinspritzung arbeitenden Brennkraftmaschine darstellenden Signals

Info

Publication number: DE10236615A1
Application number: DE10236615A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dittrich
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2002-08-09
Filing date: 2002-08-09
Publication date: 2004-02-26

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erfassung eines den Druck im Brennraum einer mit Direkteinspritzung arbeitenden Brennkraftmaschine darstellenden Signals, deren Kraftstoffeinspritzventile zur Betätigung mit einem piezoelektrischen Wandlerelement versehen sind. Das mit dem piezoelektrischen Wandlerelement aufgenommene Signal kann als Drucksignal verwendet werden. Vorteilhafterweise wird das außerhalb der Einspritzphase aufgenommene Signal für die Klopfsignalerkennung verwendet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erkennung des Klopfsignals nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Um Brennkraftmaschinen – insbesondere fremdgezündete Brennkraftmaschinen – möglichst effizient, also kraftstoffsparend, zu betreiben, muss zum einen eine möglichst hohe Verdichtung gewählt werden und zum anderen ein gewisses Maß an Vorzündung eingestellt werden, d. h. das Luft-Kraftstoffgemisch muss vor dem sogenannten oberen Totpunkt gezündet werden. Diese beiden Maßnahmen erhöhen jedoch das Risiko einer unkontrollierten Selbstentflammung des Gemisches, was als Klopfen bezeichnet wird, und die Brennkraftmaschine zerstören kann. Um dies zu vermeiden werden sogenannte Klopfregelungen eingesetzt, die beim Erkennen einer klopfenden Verbrennung den Zündzeitpunkt nach spät verstellen und somit wieder eine kontrollierte Verbrennung sicherstellen. Tritt kein Klopfen im Verbrennungsraum auf, wird der Zündzeitpunkt in kleinen Schritten wieder nach früh verschoben, um die Brennkraftmaschine möglichst effizient zu betreiben, und zwar bis zu dem Zeitpunkt, an dem das Klopfen wieder auftritt.
Bei fremdgezündeten, mit Direkteinspritzung arbeitenden Brennkraftmaschinen wird der Kraftstoff über jeweils ein Kraftstoffeinspritzventil direkt in den Brennraum gespritzt. Dadurch können die Intervalle der Kraftstoffzufuhr in den Arbeitstakt des Zylinders und auch die benötigte Zeit zur Mischung des Kraftstoffs mit der Luft exakt definiert werden. Die Kraftstoffeinspritzventile können mit einem piezoelektrischen Wandlerelement gesteuert werden.
Für eine Klopferkennung sind aus dem Stand der Technik sogenannte Körperschallsensoren bekannt, die an der Außenseite der Brennkraftmaschine angebracht sind. Diese nehmen die durch das Klopfen entstehenden und über die Brennkraftmaschine übertragenen hochfrequenten Schwingungen auf. Wird durch das verarbeitete Signal aus den Schwingungen eine vorgegebene Schwelle überschritten, wird der Zündzeitpunkt nach spät verstellt. Nachteilig wirken sich bei dieser Methode akustische Störsignale, die zum Beispiel durch das Öffnen und Schließen der Gaswechselventile und/oder der Kraftstoffeinspritzventile hervorgerufen werden, auf das Signal aus. Das Klopfen wird dann schwieriger und aufwändiger zu erkennen.

Die DE 39 17 907 A1 beschreibt ein Verfahren zum Erfassen und Auswerten eines Klopfsignals mit Hilfe eines Drucksensors. Dieser Drucksensor liefert eine vollständige Information über den Druckverlauf im Verbrennungsraum. Um den Klopfanteil vom Gesamtdruckverlauf zu trennen, wird das Signal gefiltert und anschließend nur innerhalb eines Kurbelwinkelfensters zur Auswertung zugelassen.

Nachteilig ist, dass für beide oben genannten Lösungsmöglichkeiten zur Klopferkennung ein zusätzlicher Sensor im Bereich der Brennkraftmaschine eingebaut werden muss. Dieser zusätzliche Sensor für die Klopferkennung führt zu höheren Material-, Fertigungs- und Montagekosten. Eine jeweilige Anpassung an die einzelnen Brennkraftmaschinen gestaltet sich ebenfalls als aufwändig.

Allerdings wird nicht nur für die Klopfsignalerkennung ein Drucksignal ausgewertet. Es gibt viele weitere Anwendungen, bei der eine Auswertung des Drucksignals aus dem Brennraum einer Brennkraftmaschine vorgenommen wird. Hierzu wird ebenfalls ein Drucksensor benötigt, der ein Signal aus dem im Brennraum vorherrschenden Druck liefert.

Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren zur Erfassung des im Brennraum einer Brennkraftmaschine vorherrschenden Drucks mittels eines Sensors anzugeben, bei dem Material-, Fertigungs- und Montagekosten gegenüber den herkömmlichen Methoden reduziert werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind die Gegenstände der abhängigen Ansprüche.

Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass bei mit Direkteinspritzung arbeitenden Brennkraftmaschinen ein piezoelektrisches Wandlerelement, das vorrangig zum Betätigen der Kraftstoffeinspritzventile verwendet wird, ebenfalls als Drucksensor verwendet werden kann. Piezoelektrische Wandlerelemente zeichnen sich dadurch aus, dass beim Anlegen einer Spannung eine Dickenänderung auftritt. Der umgekehrte Effekt kann bei dem der Erfindung zugrundeliegenden Drucksensor eingesetzt werden. Hier wird der Druck, der in der Brennkraftmaschine herrscht, in eine Spannung umgewandelt, die als Drucksignal interpretiert werden kann.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform ist die Klopfsignalerkennung. Bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen kann aus dem vom piezoelektri schen Wandlerelement außerhalb der Einspritzphase aufgenommenen und interpretierten Signal ein Klopfen erkannt werden. Tritt ein Klopfen im Brennraum der Brennkraftmaschine auf, wird durch eine geeignete Analyse des Drucksignals ein optimaler Zündzeitpunkt bestimmt.

Das piezoelektrische Wandlerelement wird im bekannten Stand der Technik nur während einer Einspritzphase für die Kraftstoffeinspritzventilsteuerung bzw. -Betätigung verwendet. Nach dem Einspritzen wird das piezoelektrische Wandlerelement vollkommen entladen, und kann erfindungsgemäß nun als Sensor für die Drucküberwachung zur Erkennung eines Klopfsignals nach einem dem Fachmann bekannten Verfahren verwendet werden. Die beiden Vorgänge laufen immer zeitlich versetzt ab, weshalb das piezoelektrische Wandlerelement sowohl als Aktuator für das Kraftstoffeinspritzventil, wie auch als Sensor, insbesondere zur Klopferkennung, eingesetzt werden kann.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist der Gegenstand des Patentanspruchs 2. Mit dem piezoelektrischen Wandlerelement kann der gesamte Druckverlauf in Brennraum der Brennkraftmaschine außerhalb der Einspritzphase gemessen werden, was bspw. vorteilhaft für die für die Drehmomentregelung, die Zylindergleichstellung und die Aussetzererkennung an einer Brennkraftmaschine ist.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist der Gegenstand des Patentanspruchs 3. In Abhängigkeit des Drucksensorsignals kann aus einem vorgegebenen Kennfeld ein optimaler Zündzeitpunkt ermittelt werden. Die Entscheidung über Klopfen oder nicht Klopfen kann auf Grund des detaillierten Signals nicht nur über eine Schwellwertentscheidung getroffen werden, sondern mittels vorgegebener Fuzzy Logic und Memory Funktion, die der Erkennung eines Aufschaukelns des Klopfens dienen soll, erfolgen. Das vom piezoelektrischen Wandlerelement erhaltene Drucksignal wird gefil tert, integriert und über ein Kurbelwellenfenster ausgewertet. Der daraus gewonnene Integralwert wird mit dem Integralwert aus dem vorherigen Arbeitsspiel verglichen. Die Zündwinkelrücknahme kann dadurch mittels den Parametern Höhe des aktuellen Integralwerts und Höhe des vorrangegangenen Integralwerts als Regelmatrix definiert werden, was zu einem stetigen Kennfeld führt. Durch diese Art der Zündwinkelrücknahme wird durch einen Regeleingriff das aktuelle Drehmoment stetig verändert. Dies gewährleistet einen runden, gleichmäßigen Lauf der Brennkraftmaschine.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, bei denen auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird.
1 zeigt stark vereinfacht den Aufbau eines Zylinders einer fremdgezündeten, mit Direkteinspritzung arbeitenden Brennkraftmaschine.
2 zeigt ein stark schematisiertes Blockschaltbild zur Auswertung des Drucksignals für die Klopfsignalerkennung.
In 1 wird durch einen Kolben 10 das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Brennraum 11 der Brennkraftmaschine komprimiert. Durch die Gaswechselventile 12 und 13 wird Verbrennungsluft angesaugt bzw. wieder abgegeben. Mit einer Zündkerze 14 wird das Gemisch gezündet, das im Brennraum durch die Luft sowie den über ein Kraftstoffeinspritzventil 15 eingebrachten Kraftstoff gebildet wird. Am Kraftstoffeinspritzventil 15 ist ein piezoelektrisches Wandlerelement 16 angebracht, das in der Einspritzphase den Kraftstoffzulauf steuert, d. h. das Kraftstoffeinspritzventil öffnet und/oder schließt. Außerhalb der Einspritzphase wird vom piezoelektrische Wandlerelement 16 erfindungsgemäß ein Drucksignal aufgezeichnet, das den Druck im Brennraum wiedergibt. Eine mögliche Auswertung des Drucksignals für die Klopferkennung zeigt 2.
2 zeigt nun ein stark schematisiertes Blockschaltbild zur Auswertung des Drucksignals für die Klopferkennung. Nach einer Einspritzphase 0, in der ein piezoelektrisches Wandlerelement 1 die Betätigung eines direkt in den Brennraum einer Brennkraftmaschine einspritzenden Kraftstoffeinspritzventils steuert, wird das piezoelektrische Wandlerelement 1 entladen. Der Druck, der im Brennraum 2 der Brennkraftmaschine herrscht, wirkt auf das piezoelektrische Wandlerelement 1 ein und wird durch das piezoelektrische Wandlerelement 1 in ein Spannungssignal S1_t umgewandelt. Dieses Spannungssignal S1_t wird mittels eines Hochpassfilters 3 gefiltert und anschließend mit einem Integrator 4 ein Integralwert S4_t gebildet. Dieser Integralwert S4_t wird innerhalb eines vorgegebenen Kurbelwinkelfensters 5 ausgewertet und anschließend an ein Kennfeld 6 übergeben. In diesem Kennfeld 6 ist die Höhe des aktuellen Integralwerts S5_t im Bereich des Kurbelwinkelfensters 5 und die Höhe eines zeitlich vorrangegangenen Integralwerts S5_t– ₁ als Regelmatrix definiert. Der zeitlich vorrangegangene Integralwert S5_t– ₁ wurde selbstverständlich nach dem gleichen Schema wie oben beschrieben aus dem Spannungssignal S1'_t– ₁ (über 3', 4', 5') berechnet. Aus dem Kennfeld 6 wird nun ein optimaler Zündzeitpunkt z berechnet, mit dem an der Zündkerze 14 (vgl. 1) mittels eines geeigneten Steuergeräts 7 ein Zündfunke erzeugt wird und die Zündung zum Beispiel nach früh verstellt wird.
Dies ist natürlich nur eine mögliche Auswertung des Drucksignals, das vom piezoelektrischen Wandlerelement aufgezeichnet wurde. Mit dieser Erfindung werden nicht nur erhebliche Kosten eingespart, zusätzlich kann die Brennkraftmaschine komfortabler, schneller und einfacher abgestimmt werden. Es können jedoch eine Vielzahl weiterer Details durchaus abweichend von obiger Beschreibung gestaltet sein, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.

Claims

1 Verfahren zum Erfassen eines den Druck im Brennraum einer mit Direkteinspritzung arbeitenden Brennkraftmaschine darstellenden Signals, deren Kraftstoffeinspritzventile zur Betätigung mit einem piezoelektrischen Wandlerelement (1) versehen sind, dadurch ge kennzeichnet, dass das vom piezoelektrischen Wandlerelement (1) aufgenommene Signal als das den Druck im Brennraum darstellenden Signal verwendet wird.

Verfahren nach Patentanspruch 1 zur Erkennung eines Klopfsignals an einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine, dadurch kennzeichnet, dass das vom piezoelektrischen Wandlerelement (1) außerhalb der Einspritzphase aufgenommene Signal für die Klopfsignalerkennung verwendet wird.

Verfahren nach Patentanspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet dass der gesamte Druckverlauf außerhalb der Einspritzphase gemessen wird.

Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit des Drucksensorsignals aus einem vorgegebenen Kennfeld (6) aus einem aktuellen Integralwert (S5_t) des Sensorsignals und einem vorangegangen Integralwert (S5_t– ₁) des Sensorsignals der optimale Zündzeitpunkt (z) ermittelt wird.

Verwendung eines piezoelektrischen Wandlerelements (1) als Drucksensor an einer Brennkraftmaschine gemäß einem Verfahren nach einem der vorangegangenen Patentansprüche.