-
Für die Steuerung des Ladungswechsels von Verbrennungsmotoren ist die genaue Einstellung der Steuerzeiten, d. h. der Öffnungs- und Schließzeitpunkte der Ein- bzw. Auslassventile in Bezug zur Lage der Kurbelwelle notwendig. Insbesondere die hohen Anforderungen an Leistung, geringen Verbrauch und niedrige Emissionswerte erfordern eine immer genauere Abstimmung der einzelnen, die Verbrennung beeinflussenden Größen. Neben der Kraftstoffzufuhr, hauptsächlich der Steuerung der Einspritzzeit und -menge ist die Steuerung des Ladungswechsels eine weitere bestimmende Größe. Es ist hierbei wichtig, genau die Öffnungs- und Schließzeitpunkte der Ladungswechselventile und deren Öffnungscharakteristik zu kennen. Moderne Motorenkonzepte, die mit einer Verstellung der Nockenwellen arbeiten, die bis hin zum drosselklappenlosen Motor führt, beeinflussen bewusst im Betrieb des Motors die Steuerzeiten, um eine Anpassung an den momentan gewünschten Lastzustand zu erreichen. Daraus schlussfolgert, dass die Ventilsteuerzeiten im Betrieb der Brennkraftmaschine überwacht werden müssen bzw. bei einer Applikation des Motors am Prüfstand eine genaue auf die jeweiligen Bedingungen abgestimmte Einstellung der Steuerzeiten erfolgen muss. Die Ermittelung der Ventilsteuerzeiten muss dabei dynamisch, im Betrieb des Motors erfolgen.
-
Im Stand der Technik sind Verfahren beschrieben, bei denen eine Messung der aktuellen Ventilposition mit verschiedenen Messprinzipien erfolgt. Bekannt sind sowohl induktive Verfahren, bei denen Bereiche des Ventilschafts als beweglicher Anker vermessen werden, als auch optische Verfahren, bei denen mittels Laserlicht und Triangulation eine Messung der realen Ventilposition erfolgt.
-
Bei der Applikation von Motoren am Prüfstand bzw. auch im Fahrzeugeinsatz kann eine Messung des aktuellen Brennraumdruckes über Brennraumdrucksensoren erfolgen. Für die Applikation von Motoren am Prüfstand ist die Verwendung von Brennraumdrucksensoren zur Bewertung des Brennverlaufes üblich.
-
Vorbekannt ist in der
DE 40 36 847 A1 eine Einrichtung zur Steuerung der Ventilsteuerzeiten, bei der ein Drucksensor den Brennraumdruck im Betrieb des Motors aufnimmt und die Öffnungs- und Schließzeiten des Ventils aus dem Signal des Brennraumdrucks ermittelt werden. Es wird der Druckgradient ausgewertet, wobei die Ventilsteuerzeiten durch Detektieren des Kurbelwinkels, bei dem eine abrupte Änderung des Druckgradienten auftritt, ermittelt werden. Ein Auswerteverfahren für den Druckgradienten ist im Stand der Technik nicht beschrieben.
-
Weiterhin ist aus der
DE 197 41 820 A1 ein Verfahren zur Auswertung des Brennraumdruckverlaufs vorbekannt. Aus charakteristischen Druckverläufen werden die Steuerzeiten ermittelt, wobei der Verlauf der ersten Ableitung des Druckgradienten ausgewertet und die Öffnungs- bzw. Schließzeitpunkte der Ventile anhand des Vorzeichenwechsel im Signal der ersten Ableitung des Druckgradienten nach dem Kurbelwinkel bestimmt werden.
-
Der Signalverlauf des Brennraumdruckes ist jedoch starken Schwankungen unterworfen. Die Auswertung der Lage des Druckmaximums ist durch die benutzten Abtastraten bzw. durch Störsignale stark verrauscht. Ein Verfahren, das die Lage des Druckmaximums auswertet, liefert daher stark schwankende Lagewerte des Druckmaximums und der daraus berechneten Steuerzeiten. Vergleiche zwischen Messwerten für die Steuerzeit „Auslass öffnet” und des ermittelten Ventilöffnungszeitpunktes zeigen, dass die Lage des ermittelten Ventilöffnungszeitpunktes bis zu 10° Kurbelwinkel gegenüber dem realen Öffnungszeitpunkt schwanken kann. Diese Schwankungsbreite ist aufgrund der geforderten Genauigkeiten nicht zu akzeptieren.
-
In der
DE 197 41 820 A1 wird aus diesem Grund vorgeschlagen, eine Mittelung über mehrere Verbrennungszyklen vorzunehmen. Eine Mittelwertbildung ist nachteilig, da mehrere Zyklen der Mittelwertbildung abgewartet werden müssen und eine größere Anzahl an Werten für einen stabilen Mittelwert benötigt werden, was diesen bei schnellen Änderungen der Messgröße, dem wahren Wert zeitlich nachlaufen lässt.
-
Aus der
DE 37 21 010 A1 ist es vorbekannt einen Maximalzylinderdruckwinkel durch Detektion des Brennraumdrucks zu bestimmen. Auf Basis der Berechnung eines Gradienten wird zwischen den jeweiligen Messstellen interpoliert. Der Gradient vor bzw. nach einem Bezugskurbelwinkel, an welchem der Maxialdruck erreicht wird, wird zur Lokalisierung des Maximalzylinderdruckwinkels genutzt.
-
Aufgabe der Erfindung ist es daher ein einfaches Verfahren zur Auswertung des Verbrennungsdruckgradienten zu schaffen, das mit geringen Rechenaufwand und einer hohen Genauigkeit die Lage des Gradientenmaximums in Bezug zum Kurbelwinkel ermittelt.
-
Diese Aufgabe wird bei gattungsgemäßen Verfahren erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet durch die Analyse der Kurbelwinkelwerte, die jeweils auf gleichem Druckniveau liegen, und der Berechnung einer Trendlinie der Mittelwerte die Möglichkeit, einen Schnittpunkt der Trendlinie mit der Messkurve zu ermitteln. Erfindungsgemäß vorteilhaft gibt der so ermittelte Schnittpunkt die Lage des Maximums des Verbrennungsdruckgradienten in Bezug zur Kurbelwellenlage wieder. Es besteht damit die Möglichkeit, einen genauen Wert des Druckgradientenmaximums trotz der, der Messkurve überlagerter Störsignale zu gewinnen.
-
Erfindungsgemäß vorteilhaft wird mittels eines Korrekturwertes, der aus einer Kennlinie oder einem Kennfeld ausgelesen wird, auf den realen Öffnungszeitpunkt des Ventils geschlossen. Der Kennwert schwankt über die Drehzahl und ist für verschiedene Motorentypen unterschiedlich, weshalb eine Applikation für die jeweiligen Betriebsbedingungen und Motorentypen erfolgen muss.
-
Erfindungsgemäß vorteilhaft erfolgt die Auswertung der Druckmesswerte nur innerhalb eines Intervalls, in welchem der jeweilige Öffnungszeitpunkt des Ventils liegen kann. Diese Intervalle sind konstruktiv für die jeweiligen Steuerzeiten durch die Nockenwelle und möglicher Maximalverstellungen sowie Bauteiltoleranzen und dynamische Einflüsse vorgegeben. Damit erfolgt in vorteilhafter Weise eine Verminderung des Rechenaufwandes durch die Begrenzung der zu verarbeitenden Daten.
-
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden in der Zeichnung anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben.
-
Hierbei zeigt:
-
1 drei Diagramme, welche den Druckverlauf, sowie die daraus berechneten Druckgradienten über dem Kurbelwinkel aufgezeichnet idealisiert darstellen. 1a zeigt den Druckverlauf über ein gesamtes Arbeitsspiel des Motors. Im Bereich der Kompression steigt der Brennraumdruck an und erhöht sich nach der Zündung trotz größer werdendem Brennraumvolumen im Arbeitstakt weiter. Strichliert ist in dem Diagramm die Hubkurve des Auslassventils dargestellt. 1b zeigt den zur 1a gehörenden Druckgradientenverlauf. Dieser ist die erste Ableitung des Druckverlaufs nach dem Kurbelwinkel, kennzeichnet also das Anstiegsverhalten der Druckkurve. Erfindungsgemäß wird zur Erkennung der Ventilsteuerzeit „Auslass öffnet” (Aö) der Kurbelwinkel ermittelt, wobei der Verlauf des Druckgradienten betrachtet wird. Zu diesem Zeitpunkt zeigt der Verlauf des Druckgradienten ein schwach ausgeprägtes lokales Maximum. Dies ist als Bezugspunkt kennzeichnend für den Zeitpunkt „Auslass öffnet” (Ab), der jedoch, wie in der 1c dargestellt, vor diesem Kurbelwinkel liegt.
-
2 zeigt in einem Diagramm den Druckgradientenverlauf bei Öffnung des Auslassventils. Der Druckgradient zeigt an dieser Stelle das bereits zu 1c beschriebene lokale Maximum. Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in der Umgebung des lokalen Maximums, an Stellen gleichen Druckgradientenwertes, eine strichliert dargestellte Schnittlinie mit der Messkurve gebildet und die zu den jeweiligen Schnittpunkten gehörenden Winkelwerte α1 und α2 werden ausgelesen. Aus den Winkelwerten wird der Mittelwert (ausgefüllter Kreis) gebildet. Dieses Verfahren wird für weitere Druckgradientenwerte wiederholt, so dass zu einer Messkurve eine Anzahl von Kurbelwinkelwerten (ausgefüllte Kreise) berechnet werden. Aus den so berechneten Kurbelwinkelmittelwerten wird eine Trendlinie gebildet, die im einfachsten Fall eine Gerade sein kann, jedoch auch ein Polynom n-ter Ordnung oder dergleichen. Es wird nachfolgend der Schnittpunkt der Trendlinie mit dem aus der gemessenen Druckkurve ermittelten Druckgradientenverlauf gebildet. Der so ermittelte Kurbelwinkel dient als Bezugspunkt zum Ermitteln der Steuerzeit „Auslass öffnet” (Ab).
-
3 zeigt einen Programmablauf plan des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
In einem ersten Schritt S1 werden in einem aus der konstruktiven Gestaltung des Ventiltriebs vorgegebenen Bereich, in dem die Steuerzeit „Auslass öffnet” (Ab) liegen kann, die Brennraumdruckwerte über dem jeweiligen Kurbelwinkel aufgezeichnet. Das Messfenster ist durch die Gestaltung der Nockenwelle, deren maximale Verstellung gegenüber der Kurbelwelle sowie den Bauteiltoleranzen und den dynamischen Einflüssen, beispielsweise die drehzahlabhängige Verwindung der Kurbel- oder Nockenwelle vorgegeben.
-
In einem zweiten Schritt S2 wird der Druckgradient als erste Ableitung des Brennraumdruckes nach dem Kurbelwinkel gebildet und abgespeichert. In einem Schritt S3 wird der Maximalwert des errechneten Druckgradienten gebildet. In einem Schritt S4 werden die gespeicherten Druckgradientenwerte nach Punkten gleichen Druckgradientenwertes durchsucht und die zugehörigen Kurbelwinkelwerte werden ermittelt. Aus den beiden, jeweils zu einem Druckgradienten gehörenden Winkelwerten wird ein Mittelwert in einem Verfahrensschritt S5 gebildet. Das Verfahren wird über eine Anzahl vorgegebener Druckgradientenwerte bis zum Maximalwert des Druckgradienten wiederholt. Es wird nachfolgend eine Reihe von Kurbelwinkelwerten abgespeichert. Mittels eines Interpolationsverfahrens wird in einem Verfahrensschritt S6 eine Trendline gebildet. In einem weiteren Verfahrensschritt S7 wird der Schnittpunkt der Trendline mit der Druckgradientenkurve ermittelt und abgespeichert. Der so ermittelte Schnittpunkt ist ein charakteristischer Bezugspunkt für die Steuerzeit „Auslass öffnet” (Aö). In einem weiteren Verfahrensschritt S8 wird aus einem Kennfeld, dessen Eingangsgrößen Last und Drehzahl oder weitere den Betriebszustand des Motors kennzeichnende Größen sind, ein Korrekturwert ausgelesen. Der Korrekturwert wird von dem errechneten Schnittpunkt abgezogen und die Auslassventilöffnungszeit wird ausgegeben (S9). Das Verfahren startet nun wieder im Verfahrensschritt S1, mit dem Einlesen der Druckwerte.
-
Der Korrekturwert ist ein am Prüfstand für den jeweiligen Motor und die jeweiligen Drehzahl- bzw. Lastbedingung gewonnener Korrekturwert.
