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Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der am 7. Mai 2013 eingereichten
schwedischen Patentanmeldung Nr. 1350561-5 und nimmt diese durch Bezugnahme in den Inhalt dieser Anmeldung auf.
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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern der Leistung eines Motors, mit den Schritten: Detektieren eines Ionenstroms in Gestalt eines ersten Signals, Analysieren dieses ersten Signals, um zumindest eine Eigenschaft zu bestimmen, Ermitteln einer Klopfkennzahl basierend auf diesem ersten Signal und vorzugsweise auf dieser zumindest einen Eigenschaft und Kombinieren dieser Klopfkennzahl mit zumindest einem Multiplikator, um zu einer Motorkennzahl zu gelangen. Die Erfindung betrifft ferner ein System zum Steuern der Leistung eines Motors.
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STAND DER TECHNIK
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Im Bereich von Motorsteuersystemen ist es wünschenswert, ein als Klopfen bekanntes Phänomen zu vermeiden, um die Leistung des Motors zu optimieren und um Schäden am Motor zu vermeiden. Um den Betrieb des Motors zu steuern und Klopfen zu vermeiden und gleichzeitig den Betrieb zu optimieren, werden gewöhnlich Kennfelder (d. h. Datentabellen) verwendet. Ein Kennfeld kann eine Tabelle von Werten eines bestimmten Parameters bei verschiedenen Betriebszuständen des Motors (z. B. eine bestimmte Drehzahl oder Last) sein. Diese Parameter sind typischerweise für einen spezifischen Motor vorgegeben. Es ist auch bekannt, Daten bezüglich des Ionenstroms zu verwenden, um Klopfen zu detektieren oder eine Klopfkennzahl zu berechnen. Eine Erzeugung eines Klopfvorgangs in einem Motor stellt ein beträchtliches Problem dar, da auch schwere Schäden am Motor entstehen können, wenn ein Motor klopft. Bei einem Verbrennungsmotor wird das Kraftstoff/Luftgemisch in eine Verbrennungskammer eingeführt und dann durch eine ansteigende Bewegung eines Kolbens verdichtet, die verdichtete Mischung wird von einem Zündfunken gezündet und verbrannt, der durch Anlegen einer hohen Spannung an einer Zündkerze erzeugt wird, die in der Verbrennungskammer eingebaut ist, und die Kraft, die erzeugt wird, wenn der Kolben nach unten gestoßen wird, wird als Arbeit wiedergewonnen. Gelegentlich kann der Druck, der durch die Verbrennung selbst entstanden ist, das noch nicht verbrannte Kraftstoff/Luftgemisch dazu veranlassen, vorzeitig zu zünden, was eine kleinere, augenblickliche Verbrennung des Endgases erzeugt, welches die Ursache für den Klopfvorgang darstellt. Dieser Zustand ist unerwünscht, da er Motorteile beschädigen oder zerstören kann, weshalb es wünschenswert ist, das Auftreten von Klopfvorgängen zu verhindern. Bei einer Verbrennung in der Verbrennungskammer werden Moleküle des Gemischs in der Kammer ionisiert, so dass wenn eine Messspannung auf die Zündkerze in der Verbrennungskammer aufgeprägt wird, ein Strom-Ionenstrom – aufgrund der elektrischen Ladung der Ionen fließt. Es ist bekannt, dass der Ionenstrom sich in Abhängigkeit des Verbrennungsdrucks verändert und daher das Auftreten von Klopfen (Druckoszillation) durch Detektieren des Signalinhalts des Ionenstroms bestimmt werden kann.
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Die Leistung eines Motors kann durch eine Vielzahl von Umgebungsfaktoren-Kraftstoffqualität, Luftfeuchte, Luftqualität, Ölqualität, Lufttemperatur und dergleichen – beeinflusst werden. Ein Motor sollte an unterschiedliche Kraftstoffquellen anpassbar sein (z. B. verschiedene Ethanol oder Methanolkonzentrationen in Benzin, verschiedene Biodieselkonzentrationen in Diesel, und/oder verschiedene Erdgaskomponenten). Darüber hinaus sind viele Motoren zur Multikraftstoffverwendung ausgelegt (z. B Verwendung von Diesel und Erdgas). Innerhalb dieser Kategorien kann die Kraftstoffqualität variieren (z. B. die Konzentration von Schwefel, Wasser, und/oder anderen Verunreinigungen). Unterschiedliche Kraftstoffe können einen unterschiedlichen Energiegehalt aufweisen. Deshalb können unterschiedliche Kraftstoffe zu deutlich unterschiedlichen Zylinderdrücken bei der gleichen Menge verbrannter Frischluft führen, die mit dem Kraftstoff vermischt ist, um eine gegebene (z. B. stöchiometrische) Verbrennung zu erzielen.
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Eine Motorlast wird oftmals mittels eines Luftmassendurchflusssensors abgeschätzt. Unter der Annahme eines bekannten Kraftstoffenergiegehalts kann eine Schätzung der Motorlast berechnet werden. Nachdem die Motorlast abgeschätzt wurde, kann der entsprechende Zylinderinnendruck leicht errechnet werden. Falls sich der Energiegehalt des Kraftstoffs jedoch verändert, kann der errechnete Zylinderinnendruck inkorrekt sein. Dies kann die Motorleistung herabsetzen und/oder den Motor beschädigen.
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Es existiert ein Bedarf, eine Lösung für die oben angesprochenen Probleme zu finden, um den Motorbetrieb zu verbessern und Klopfen zu unterdrücken.
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Die
US 6,748,922 B2 offenbart eine Klopfsteuerungsvorrichtung für Verbrennungsmotoren, wobei die Klopfsteuerungsvorrichtung aufweist eine Frequenzgrößenberechnungseinheit, die einen Frequenzgrößendetektor beinhaltet zum Detektieren der Größe einer spezifischen Frequenz basierend auf einer Ausgabe eines Ionenstromdetektors, eine Ionenstromflächenberechnungseinheit zum Berechnen einer Ionenstromfläche in einem vorgegebenen Bereich während des Verbrennungshubs eines betroffenen Zylinders basierend auf der Ausgabe des Ionenstromdetektors, eine Korrektureinheit zum Korrigieren der detektierten spezifischen Frequenzgröße basierend auf dem errechneten Ionenstrombereich, eine Klopfbestimmungseinheit zum Ermitteln basierend auf der korrigierten spezifischen Frequenzgröße, ob der Motor klopft, und einen Steuerparameterkorrektur-Betragssetzer zum Einstellen eines Korrekturbetrags für einen Zündzeitpunktsteuerparameter basierend auf dem Bestimmungsergebnis.
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Die
US 6,230,546 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Detektieren einer klopfenden Verbrennung in einem Verbrennungsmotor durch Auswerten des in der Verbrennungskammer erkannten Ionenstromsignals, welche angeblich ausgelegt sind, das Ionenstromsignal für längerfristig darin entstehende Abweichungen zu korrigieren oder auszugleichen, zum Beispiel aufgrund von Veränderungen in der Zusammensetzung des Kraftstoffs als Ergebnis einer Verunreinigung mit metallischen Komponenten oder dergleichen.
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Die
US 20030183195 offenbart eine durch eine Ionenstromintensitätslernvorrichtung zum Bestimmen der Ionenstromintensität ermittelte Ionenstromintensität basierend auf einer Ausgabe einer Ionenstromdetektionsschaltung, bei der zumindest ein Vergleichsreferenzwert einer Einheit zum Setzen eines Vergleichsreferenzwerts und/oder ein Steuerparameterkorrekturbetrag einer Einheit zum Setzen eines Steuerparameterkorrekturanfragebetrags korrigiert wird, so dass selbst dann, wenn der Kraftstoff mit Zusatzstoffen vermischt ist und in einem Fall, in dem keine standardmäßige Zündkerze verbaut ist, die Ionenstrombetragsschwankung genau ermittelt wird, auch wenn sich die Amplitude eines Klopfsignals aufgrund einer Ionenstromintensitätsschwankung verändert, und eine Korrektur des Vergleichsreferenzwerts entsprechend der Ionenstromintensität oder eine Korrektur des Steuerparameters durchgeführt wird, um damit eine fehlerbehaftete Steuerung basierend auf einer irrtümlichen Klopfdetektion zu verhindern, und auf sichere Weise einen ausgezeichneten Klopfdetektionsstatus und Klopfsteuerstatus zu erzielen.
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Die US Patentanmeldung Nr. 13/517,920 (
PCT/SE11/50050 ) betrifft eine Vorrichtung zum Analysieren einer zylinderweisen Leistung eines Verbrennungsmotors, mit Mitteln zum Messen des Ionenstroms, die vorgesehen sind, um einen Ionenstrom in einem Motor zu messen.
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Diese Dokumente und deren jeweilige Prioritätsdokumente werden durch Bezugnahme in den Inhalt der vorliegenden Anmeldung aufgenommen.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die oben beschriebenen Probleme zu beseitigen oder zumindest zu minimieren. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren und ein System gemäß den beigefügten unabhängigen Ansprüchen. Entsprechend kann der Betrieb des Motors feiner und in einer geeigneteren Weise gesteuert werden, was es erlaubt, den Zündzeitpunkt anzupassen, um eine effizientere Verbrennung zu erzielen.
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Ein Verfahren zum Steuern der Leistung eines Motors kann aufweisen a) Detektieren eines ersten Signals, das einen Ionenstrom von einem Ionensensor repräsentiert, der einen Verbrennungsvorgang in einem Zylinder des Motors erfasst, b) Berechnen einer Klopfkennzahl basierend auf dem ersten Signal, c) Bestimmen eines Betriebszustands des Motors während des Verbrennungsvorgangs, vorzugsweise auf der Basis eines den Betriebszustand erfassenden Sensors und/oder eines den Betriebszustand beschreibenden Kennfelds, vorzugsweise auf der Basis eines Motorkennfeldes beinhaltend eine Drehzahl des Motors und eine Last des Motors während des Verbrennungsvorgangs, d) Bestimmen einer erwarteten Klopfintensität, welche eine zulässige Intensität eines Klopfvorgangs während des Verbrennungsvorgangs beschreibt, e) Auswählen eines oder mehrerer Multiplikatoren basierend auf dem Betriebszustand, wobei ein Multiplikator vorzugsweise zumindest einer ist von:
- a. berechnet aus Daten, die von dem den Betriebszustand erfassenden Sensor bereitgestellt werden, vorzugsweise der Ionensensor und/oder ein Kraftstoffqualitätssensor und/oder ein Temperatursensor und/oder ein Verunreinigungssensor, und
- b. ausgewählt aus einer das Kennfeld umfassenden Tabelle, vorzugsweise ein Motorkennfeld, vorzugsweise ein Kennfeld der Drehzahl und Last;
- f) Berechnen von:
- a. einem Klopfhilfswert basierend auf der Klopfkennzahl und dem einen oder den mehreren Multiplikatoren, wobei vorzugsweise die Klopfkennzahl mit zumindest einem der Multiplikatoren multipliziert wird, und/oder
- b. einem Klopfintensitätshilfswert basierend auf der erwarteten Klopfintensität und dem einen oder den mehreren Multiplikatoren, wobei vorzugsweise zumindest eine erwartete Klopfintensität durch zumindest einen der Multiplikatoren geteilt wird;
- g) Vergleichen von:
- a. dem berechneten Klopfhilfswert mit der erwarteten Klopfintensität, und/oder
- b. der Klopfkennzahl mit dem Klopfintensitätshilfswert,
um eine Abweichung zu bestimmen, und h) Korrigieren des Motorbetriebs, vorzugsweise Anpassen eines Zündzeitpunkts und/oder einer Kraftstoffeinspritzung, wenn die Abweichung einen Schwellenwert überschreitet, der aufzeigt, dass eine Korrektur erforderlich ist.
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Das Verfahren kann umfassen a. ein Wiederholen der Schritte a) bis f) für zumindest 2 Verbrennungsvorgänge, vorzugsweise zumindest 4 Verbrennungsvorgänge, vorzugsweise zumindest 10 Verbrennungsvorgänge, vorzugsweise zumindest 50 Verbrennungsvorgänge, vor dem Korrigieren des Betriebs im Schritt g), und b. wobei das Vergleichen umfasst ein Vergleichen eines Durchschnittswerts der Klopfkennzahl und/oder des Klopfhilfswerts und/oder des Klopfintensitätshilfswerts über die wiederholten Verbrennungsvorgänge.
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Durch Einbeziehen von Informationen von den Multiplikatoren in die Klopfkennzahl (um den Klopfhilfswert zu berechnen) oder in die erwartete Klopfintensität (um den Klopfintensitätshilfswert zu berechnen) kann eine genauere Darstellung der tatsächlichen Intensität des gemessenen Klopfvorgangs erzeugt werden. Durch Skalieren eines gemessenen Werts gemäß dem Betriebszustand und Vergleichen des skalierten Werts mit einem erwarteten Wert (oder alternativ Skalieren des erwarteten Werts und Vergleichen dieses Werts mit dem gemessenen Wert) kann eine Abweichung (zwischen diesen Werten), die lediglich mit Veränderungen des Betriebszustands in Zusammenhang steht, verringert werden. Im Ergebnis kann eine tatsächliche Abweichung repräsentativer für einen tatsächlichen Klopfvorgang sein (der daher einer Korrektur bedarf) als eine Abweichung aufgrund von Unterschieden in Betriebszuständen.
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Das Verfahren kann umfassen ein Berechnen einer Spitzenamplitude des ersten Signals und/oder eines Integrals von zumindest einem Abschnitt des ersten Signals, vorzugsweise eines Integrals zwischen einem ersten Zeitpunkt und einem zweiten Zeitpunkt. Das erste Signal kann in den Frequenzbereich transformiert werden (z. B. mittels Fourier- oder Laplace-Transformationen), unter Bandpassfiltern des transformierten Signals (um Signale außerhalb eines Bands oder eines Bereichs zu entfernen), und Bestimmen einer Amplitude und/oder einer Integralfläche unterhalb des gefilterten, transformierten Signals. Eine Klopfkennzahl kann errechnet werden aus einer Spitzenposition einer Spitze in dem ersten Signal (und/oder dem transformierten ersten Signal).
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In manchen Fällen kann eine Verstärkung eines Verstärkers als Reaktion auf einen Betriebszustand gesteuert werden. Ein Verfahren kann umfassen ein Vergleichen des ersten Signals mit einer Sättigungsgrenze des Verstärkers, und Anpassen einer Verstärkung des Verstärkers als Reaktion auf einen Unterschied zwischen einer Amplitude des ersten Signals und der Sättigungsgrenze.
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Bei einer bevorzugten Implementierung umfasst ein Multiplikator erste Daten von einem einen Betriebszustand des Motors erfassenden Sensor (z. B. ein Ionensensor, ein Kraftstoffqualitätssensor, ein Verunreinigungssensor, ein AGR-Sensor, ein A/F-Sensor, und dergleichen) und zweite Daten gewählt aus einem den Betriebszustand beschreibenden Kennfeld (z. B. ein Parameter gewählt aus einer Parametertabelle, wobei jeder Parameter mit einer bestimmten Kombination aus Drehzahl und Last in Beziehung steht).
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Ein beispielhaftes System kann aufweisen einen Prozessor (z. B. in einem Motorsteuergerät oder einer Zündsteuerungseinheit), der dazu konfiguriert ist, den Betrieb eines Motors zu steuern, und dazu konfiguriert ist, ein erstes Signal aus einem durch den Ionensensor gemessenen ersten Ionenstrom zu berechnen; b. einen Ionensensor, der mit dem Prozessor kommuniziert, wobei der Ionensensor dazu konfiguriert ist, einen Ionenstrom in einem Zylinder des Motors während eines Verbrennungsvorgangs zu erfassen und den Ionenstrom an den Prozessor zu übertragen; c. ein Computer-lesbares, nichtflüchtiges Speichermedium gekoppelt an einen Speicher und den Prozessor, wobei das Speichermedium auf sich Anweisungen trägt, die durch den Prozessor ausführbar sind, um eines oder mehrere der in dieser Anmeldung beschriebenen Verfahren durchzuführen.
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Ein System kann einen Prozessor aufweisen, der dazu konfiguriert ist, ein erstes Signal von einem zum Messen von Ionenstrom während eines Verbrennungsvorgangs in einem Zylinder des Motors konfigurierten Ionensensor zu empfangen und eine Klopfkennzahl aus dem ersten Signal zu berechnen. Der Prozessor kann eine erwartete Klopfintensität für den Verbrennungsvorgang bestimmen, einen Betriebszustand des Motors während eines Verbrennungsvorgangs bestimmen, und: die Klopfkennzahl mit einem oder mehreren Multiplikatoren kombinieren, um einen Klopfhilfswert zu bestimmen, wobei die Multiplikatoren auf dem Betriebszustand basieren und der Klopfhilfswert eine Klopfkennzahl repräsentiert, die in Bezug auf den Betriebszustand normalisiert wurde, und/oder die erwartete Klopfintensität mit einem oder mehreren Multiplikatoren kombinieren, um einen Klopfintensitätshilfswert zu bestimmen, wobei die Multiplikatoren auf dem Betriebszustand basieren und der Klopfintensitätshilfswert eine erwartete Klopfintensität repräsentiert, welche in Bezug auf den Betriebszustand normalisiert wurde. Das System kann dazu konfiguriert sein, zu vergleichen:
- a. den berechneten Klopfhilfswert mit der erwarteten Klopfintensität; und/oder
- b. die Klopfkennzahl mit den Klopfintensitätshilfswert,
um eine Abweichung zu bestimmen, und den Betrieb des Motors zu korrigieren, vorzugsweise einen Zündzeitpunkt und/oder eine Kraftstoffeinspritzung anzupassen, wenn die Abweichung einen Schwellenwert überschreitet, der aufzeigt, dass eine Korrektur erforderlich ist.
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Ein System kann einen Sensor aufweisen, der dazu konfiguriert ist, den Betriebszustand des Motors zu erfassen, welcher den zum Erfassen des Ionenstroms konfigurierten Ionensensor beinhalten kann. Ein System kann einen Ionensensor und einen weiteren Sensor aufweisen, der dazu konfiguriert ist, den Betriebszustand zu erfassen, und in manchen Fällen wird ein Multiplikator basierend auf beiden Sensoren berechnet. Der Sensor kann einen Kraftstoffqualitätssensor, einen Verunreinigungssensor, einen A/F-Sensor, einen AGR-Sensor, einen Temperatursensor und dergleichen aufweisen.
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Das System kann einen Verstärker und eine Verstärkungssteuerrückkopplungsschaltung aufweisen. Die Schaltung kann Betriebszustandsdaten und/oder Ionenstromdaten einbinden, um eine Verstärkung des Verstärkers zu bestimmen. In manchen Fällen wird eine Verstärkung des Verstärkers gemäß dem Motorbetriebszustand angepasst. In manchen Fällen wird ein Wert des ersten Signals mit einer Sättigungsgrenze des Verstärkers verglichen, und die Verstärkung wird in Reaktion darauf angepasst (z. B. erhöht, falls das Signal zu schwach ist, oder vermindert, falls das Signal den Verstärker sättigt). Die Verstärkung kann in Reaktion auf ein Kennfeld (z. B. ein Motorkennfeld, wie etwa ein Motorkennfeld beinhaltend Drehzahl und Last) angepasst werden. Verschiedene Systeme können dazu konfiguriert sein, die offenbarten Verfahren durchzuführen.
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Dank des erfindungsgemäßen Verfahrens werden eine Vielzahl von den Betrieb des Motors betreffenden Faktoren, wie etwa die Kraftstoffqualität, AGR, Zündzeitpunkt, Luft/Kraftstoffverhältnis (A/F) beim Ermitteln des Zylinderdrucks berücksichtigt, wodurch ein verlässlicherer und genauerer Wert für diesen Zylinderdruck erzielt wird, als dies der Fall wäre, falls die Berechnungen lediglich auf Last und Drehzahl (Umdrehungen pro Minute, UpM) des Motors basieren würden.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird die durch das Verfahren bestimmte Motorkennzahl für mehrere Takte berechnet, vorzugsweise zumindest 4, und eine mittlere (oder durchschnittliche) „umfassende” Motorkennzahl wird berechnet. Der ermittelte Offset kann mit einer solchen Mittelwertbildung stabiler und genauer sein.
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Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird das erste auf einem Ionenstrom des Zylinders basierende Signal auf einem gewünschten Pegel gehalten, indem eine Spitzenamplitude des Signals bestimmt und eine Verstärkungssteuerung verwendet wird.
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Gemäß einem noch anderen Aspekt der Erfindung kann die Spitzenposition des ersten Signals bestimmt werden, was Informationen bezüglich der Kraftstoffqualität liefert und einen Offset erlaubt, um die Kraftstoffeffizienz zu steigern und den Zylinderdruck weiter zu optimieren und ein Klopfen zu beseitigen.
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Weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden dem Fachmann anhand der untenstehenden, detaillierten Erläuterung ohne Weiteres ersichtlich.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHUNGEN
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Die vorliegende Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genauer beschrieben, wobei:
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1 eine schematische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform des Systems der vorliegenden Erfindung zeigt; und
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2 eine detailliertere schematische Ansicht des Systems aus 1 zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Verschiedene Systeme (z. B. Controller und dergleichen) weisen ein Computerlesbares, nichtflüchtiges Speichermedium gekoppelt an einen Prozessor und einen Speicher auf. Auf dem Medium und/oder Speicher gespeicherte, ausführbare Anweisungen können von dem Prozessor ausgeführt werden, um eines oder mehrere Verfahren auszuführen. Ein Prozessor kann in eine Zündsteuerungseinheit oder ein Motorsteuergerät eingebunden sein, und/oder kann ein diskretes Bauteil sein. Die in dieser Anmeldung beschriebenen Beispiele dienen lediglich der Veranschaulichung und sollen nicht als beschränkend verstanden werden.
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1 offenbart ein Steuersystem 1 zum Steuern des Betriebs eines Motors, mit einem Zündungssteuergerät 2, das dazu dient, mindestens eine Zündkerzeneinheit 4 zu steuern, um einen Zündfunken in einem Zylinder des Motors zu erzeugen, gemäß manchen Ausführungsformen. Ein Prozessor (z. B. in dem Zündungssteuergerät 2) erhält Informationen von der Zündkerzeneinheit in Gestalt eines ersten Signals, das einem Ionenstrom entspricht, und verwendet dieses Signal, um eine Klopfkennzahl zu bestimmen, wie nachstehend noch genauer erläutert werden wird. Die Klopfkennzahl kann eine gemessene Intensität eines Klopfvorgangs während des gemessenen Verbrennungsvorgangs repräsentieren. Zum Beispiel kann eine Klopfintensität von „minimal” über „niedrig” und „mittel” bis „hoch” und schließlich „beschädigend” reichen.
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Da Klopfen einen Druckvorgang innerhalb des Zylinders darstellt, wird die Klopfkennzahl als Eingabe für ein elektronisches Motorsteuergerät (ECU) 3 verwendet, in dem ein einen Zylinderdruck des Zylinders betreffender Betriebszustand (z. B. eine Motorkennzahl) bestimmt wird, wie nachfolgend ebenfalls noch genauer erläutert werden wird. Diese/r Betriebszustand/Motorkennzahl wird verwendet, um einen Offset oder eine Korrektur zu bestimmen, die dazu geeignet ist, den Betrieb des Motors weiter zu optimieren. Diese/r Offset/Korrektur wird rückgekoppelt (z. B. zu dem Zündungssteuergerät 2), welches eine Rückkopplungseingabe an die Zündkerzeneinheit 4 liefert, um den Zündzeitpunkt entsprechend der Rückkopplungseingabe zu verändern. Das Zündungssteuergerät 2 und das Motorsteuergerät (ECU) 3 können unterschiedliche Bauteile sein, welche die hier beschriebenen Aufgaben durchführen, können jedoch auch eine Einheit bilden oder eine Mehrzahl von Einheiten, die miteinander kommunizieren, um zu der zum Optimieren des Betriebs des Motors erforderlichen Korrektur zu gelangen.
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In manchen Fällen wird ein Sensor 5 verwendet, um einen Betriebszustand des Motors zu erfassen. Der Sensor 5 kann einen Ionensensor beinhalten, der in die Zündkerzeneinheit 4 eingebunden sein kann. Der Sensor 5 kann einen Kraftstoffqualitätssensor, einen Feuchtigkeitssensor, einen Verunreinigungssensor, einen Luftqualitätssensor, einen AGR-Sensor, einen A/F-Sensor, und/oder einen beliebigen anderen Sensor beinhalten, der dazu konfiguriert ist, einen Betriebszustand des Motors zu erfassen.
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2 offenbart das Steuersystem 1 genauer, mit dem Zündungssteuergerät 2, welches dazu dient, mindestens eine Zündkerzeneinheit 4 mit einer Spule 41 zu steuern, um einen Zündfunken an einer Zündkerze 42 zu erzeugen. Ein Prozessor (z. B. in dem Zündungssteuergerät 2) ist dazu konfiguriert, einen Ionenstrom in einem Zylinder des Motors in der Gestalt eines ersten Signals zu detektieren und dieses erste Signal zu analysieren, um eine Klopfkennzahl zu bestimmen, die eine Intensität eines Klopfvorgangs in dem Zylinder beschreibt, was den Betrieb des Motors und des Zylinders insbesondere zu einem gegebenen Verbrennungszeitpunkt, und gemäß einem spezifischen Betriebszustand beschreiben kann.
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Die Klopfkennzahl wird dann analysiert (z. B. durch das elektronische Motorsteuergerät ECU 3) und wird mit einer Reihe von Multiplikatoren (z. B. multipliziert mit einem oder mehreren Multiplikatoren) kombiniert, die dem Betriebszustand zu einer gegebenen Zeit (z. B. einem Verbrennungsvorgang) für den Motor zugeordnet sind. Ein Multiplikator kann aus einer Tabelle (z. B. einem Kennfeld, wie etwa einem Motorkennfeld beinhaltend Drehzahl, Last, und einen Wert für einen oder mehrere Multiplikatoren zu jeder Kombination von Drehzahl und Last) ausgewählt sein. Ein Multiplikator kann aus einem Sensor berechnet werden, der dazu konfiguriert ist, den Betriebszustand zu erfassen. In manchen Fällen weist ein Multiplikator auf einen ersten Parameter, der aus einer Tabelle (umfassend den Betriebszustand) ausgewählt ist, und einen zweiten Parameter, der aus von dem Sensor (der den Betriebszustand erfasst) bereitgestellten Daten berechnet wird. Der Sensor kann ein anderer Sensor sein als der Ionensensor. Der Sensor kann der gleiche Sensor wie der Ionensensor sein. Der Betriebszustand kann dazu verwendet werden, eine erwartete Klopfintensität für diesen Verbrennungszyklus zu bestimmen. Die erwartete Klopfintensität kann eine Vielzahl von Werten (z. B. gering, mittel, hoch) sein, die eine „akzeptable” oder „erwartete” Intensität des Klopfvorgangs repräsentieren. Zum Beispiel kann eine erwartete Klopfintensität bei geringer Last eine „geringe Intensität” sein, während eine erwartete Klopfintensität bei hoher Last eine „hohe Intensität” wäre.
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Der Betriebszustand (wie durch den einen oder die mehreren Multiplikatoren dargestellt) kann dazu verwendet werden, einen Wert zu „skalieren” oder „normalisieren”, um die Genauigkeit zu verbessern, mit der ein gemessener Wert mit einem erwarteten Wert verglichen wird (zum Beispiel um einen Motorkennwert zu bestimmen, der den Zylinderdruck zu diesem Zeitpunkt wiedergibt). Die Multiplikatoren können dazu verwendet werden, Werte entsprechend dem Betriebszustand zu „normalisieren” oder andernfalls zu skalieren. In manchen Fällen wird die Klopfkennzahl (basierend auf dem ersten Signal) gemäß dem Multiplikator skaliert. Zum Beispiel kann ein Betriebszustand, der einer hohen erwarteten Klopfintensität zugeordnet werden kann, einen großen Multiplikator haben, wohingegen ein Betriebszustand, der einer geringen Klopfintensität zugeordnet werden kann, einen kleinen Multiplikator haben kann. Das Multiplizieren der berechneten Klopfkennzahl mit dem jeweiligen Multiplikator kann die Klopfkennzahl auf einen Wert „skalieren”, der ein Hilfswert für den Betriebszustand repräsentiert. Eine Klopfkennzahl, die durch den Multiplikator modifiziert wurde, kann als Klopfhilfswert beschrieben werden. Der Klopfhilfswert kann mit einer erwarteten Klopfintensität (z. B. für diesen Betriebszustand) verglichen werden, um zu bestimmen, ob eine Korrektur erforderlich ist.
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In manchen Ausführungsformen kann ein Klopfintensitätshilfswert berechnet werden. Der Klopfintensitätshilfswert kann eine erwartete Klopfintensität umfassen, die durch einen oder mehrere Multiplikatoren modifiziert (z. B. geteilt) werden kann, welche den Betriebszustand repräsentieren. Der Klopfintensitätshilfswert kann mit der Klopfkennzahl verglichen werden. Falls die Klopfkennzahl den Klopfintensitätshilfswert übersteigt (z. B. ist das Klopfen zu intensiv), kann der Motor angepasst (z. B. gedrosselt) werden. Falls die Klopfkennzahl weit unterhalb des Klopfintensitätshilfswerts liegt (was andeutet, dass ein Klopfen ohne Gefahr erhöht werden könnte), kann die Leistung erhöht werden (z. B. kann der Motor „hochgetunt” werden).
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In manchen Fällen kann durch Verwenden von den Motor an sich betreffenden Sensibilitätsdaten bestimmt werden, ob der Betrieb des Zylinders angepasst werden muss, und falls ja, wie.
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Nunmehr wird das Steuersystem 1 detaillierter erläutert. Das den Ionenstrom des Zylinders betreffende Signal wird im gesamten Text als erstes Signal bezeichnet, und auf ähnliche Weise wird das die Klopfkennzahl betreffende Signal, welches als Eingabe an den Prozessor geliefert wird, als das zweite Signal bezeichnet, obgleich diese Signale in manchen Fällen durch Filtern oder eine andere Analyse verändert worden oder mit einer Reihe von Multiplikatoren kombiniert worden sein können.
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Wie bereits angegeben weist das Steuersystem 1 ein Zündungssteuergerät 2, ein Motorsteuergerät (ECU) 3 und eine Zündkerzeneinheit 4 auf. Es sei jedoch angemerkt, dass das Steuersystem 1 vorzugsweise mehrere Zündkerzeneinheiten 4 und ggf. mehrere Zündungssteuergeräte 2 aufweisen kann, so dass der Betrieb jedes Zylinders in dem Motor durch das System und Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung gesteuert werden kann. In manchen Ausführungsformen werden Vergleiche basierend auf einem Durchschnittswert über eine Mehrzahl von Zylindern und/oder über eine Zeitspanne durchgeführt (z. B. eine Mehrzahl von Verbrennungsvorgängen).
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Ein Ionenstrom wird in Gestalt eines ersten Signals durch einen Ionenstromdetektor 21, vorzugsweise in der Form eines ersten Sensors 21 des Zündungssteuergeräts 2, detektiert. Um die nachfolgende Analyse zu erleichtern, kann das erste Signal eine Verstärkungssteuerung durch die Verstärkungssteuerung 22 durchlaufen unter Verwendung einer Rückkopplungsschleife, in der das erste Signal einen ersten Filter 221 durchläuft, um das erste Signal zu tiefpassfiltern, einen Spitzendetektor 222 und eine Kostantpegelsteuerung 223, um Rauschen zu verringern, eine Spitze des ersten Signals zu detektieren und um einen Verstärkungspegel zu bestimmen, der dazu geeignet ist, die Amplitude des ersten Signals auf einem vorgegebenen Pegel zu halten. Ein Verfahren kann umfassen das Bestimmen einer Amplitude von zumindest einem Abschnitt des ersten Signals und Anpassen der angewandten Verstärkung gemäß der Amplitude. Falls das erste Signal den Verstärker zum Beispiel sättigt, kann die Verstärkung verringert werden. Falls die Amplitude des ersten Signals zu gering ist, kann die Verstärkung erhöht werden. Vorzugsweise wird die Verstärkungssteuerung derart angepasst, dass der Abschnitt des ersten Signals, der dazu verwendet wird, die Klopfkennzahl zu bestimmen (z. B. ein Fenster in der Zeit oder dem Frequenzbereich), eine Amplitude hat, die zwischen 20% und 50%, einschließlich zwischen 25% und 40%, einschließlich etwa 33% der vollen Skala liegt. Dadurch werden die nachfolgenden Analysen vereinfacht und die ermittelte Klopfkennzahl kann einfacher mit Multiplikatoren kombiniert werden, welche die Zustände des Motors beschreiben, wie untenstehend noch genauer erläutert werden wird.
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Durch solches Anpassen der Verstärkungssteuerung 22 kann die Amplitude des ersten Signals auf einem geeigneten Pegel gehalten werden. Das erste Signal durchläuft dann einen zweiten Filter 23, in dem es auf geeignete Weise gefiltert wird, um eine Bestimmung der Klopfkennzahl durch die Klopfkennzahlberechnungseinheit 24 zu ermöglichen. Das durchgeführte Filtern kann ein Bandpassfiltern sein, das lediglich Frequenzen eines gewünschtes Intervalls bewahrt, geeigneterweise etwa 3 bis 14 kHz, jedoch auch in der Zeitdimension durchgeführt werden kann, so dass lediglich ein Intervall entsprechend einem Teil der Umdrehung der Kurbelwelle erhalten bleibt, vorzugsweise von der oberen Totpunktsposition (TDC) bis etwa 40°–50° nach dem oberen Totpunkt TDC, oder von der oberen Totpunktsposition TDC bis das Signal eine Größenordnung unterhalb eines vorgegebenen Pegels erreicht hat, beispielsweise etwa 1% des Spitzenwerts, und somit als ausgestorben betrachtet werden kann. Dann wird die Klopfkennzahl anhand eines geeigneten Verfahrens bestimmt, wie es aus dem Stand der Technik wohlbekannt ist, und ein zweites Signal entsprechend dieser Klopfkennzahl wird an das Motorsteuergerät ECU 3 zur weiteren Analyse übertragen.
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Das zweite Signal (z. B. entsprechend der Klopfkennzahl) kann in eine Motorkennzahl, einen Klopfhilfswert und/oder einen Klopfintensitätshilfswert in einem Motorkennzahlwandler 31 durch Multiplikation mit einem ersten Multiplikator aus einem Kennfeld (z. B. entsprechend der aktuellen Drehzahl (UpM) oder Last des Motors) transformiert werden. Der erste Multiplikator kann aus dem Kennfeld gewählt werden (entsprechend der Drehzahl und Last bei diesem Verbrennungszyklus) und als Multiplikator auf das zweite Signal, das der Klopfkennzahl entspricht, angewendet werden. Der erste Multiplikator kann aus einer Eingabe von einem ersten Sensor (z. B. Sensor 5, 1) errechnet werden.
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Die resultierende Motorkennzahl, Klopfhilfswert und/oder Klopfintensitätshilfswert, die von dem Motorkennzahlwandler 31 berechnet wurden, liefert allgemein eine Angabe des Zylinderdrucks während des Takts, in dem das erste Signal (entsprechend dem Ionenstrom dieses Zylinders) erzeugt wurde. Diese Angabe kann dazu verwendet werden, zu bestimmen, ob der Betrieb des Motors, insbesondere der Zylinder und der zum Zünden des Kraftstoffs bereitgestellte Zündfunke, in irgendeiner Weise korrigiert werden sollten, um die Betriebszustände des Motors zu verbessern.
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In manchen Ausführungsformen werden, um zu einer umfassenderen Motorkennzahl zu gelangen, eine Reihe von Abgeichungen vorgenommen, wobei die Motorkennzahl/Klopfhilfswert/Klopfintensitätshilfswert des zweiten Signals mit einer Reihe von Multiplikatoren, die verschiedenen Betriebszuständen des Motors entsprechen, multipliziert werden. Zum Beispiel kann ein zweiter Multiplikator 32 dem Zündzeitpunkt entsprechen, d. h. der Position der Kurbelwelle zum Zeitpunkt der Zündung. Ein dritter Multiplikator 33 kann Abweichungen in dem Luft/Kraftstoffverhältnis (d. h. Lambda) entsprechen und ein vierter Multiplikator 34 kann Abweichungen der AGR (d. h. Abgasrückführung) entsprechen, ein fünfter Multiplikator 35 kann Abweichungen in der Kraftstoffqualität entsprechen. Die sich ergebende umfassende Motorkennzahl (CEI) wird durch ein Durchschnittswert-bildendes Speichersystem 36 gespeichert. Eine durchschnittliche Motorkennzahl und/oder eine durchschnittliche umfassende Motorkennzahl CEI (oder durchschnittlicher Klopfhilfswert oder durchschnittlicher Klopfintensitätshilfswert, je nach Fall) kann über mehrere Takte berechnet werden, vorzugsweise 2 bis 100, einschließlich 4 bis 80, einschließlich 10–50 Takte.
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Der durchschnittliche Wert kann verglichen werden (z. B. mit einer Klopfsensitivität 37, die eine erwartete Klopfintensität repräsentieren kann), um festzustellen, ob eine Korrektur für den Betrieb des Motors erforderlich ist, und falls ja, wird die erforderliche Abänderung in einer Offset-Bestimmungseinheit 38 bestimmt. In einem Standardbetrieb des Motors zeigt die Offsetbestimmungseinheit 38 eine Anpassung des Zündzeitpunkts von einem oder mehreren Zylindern an, um Klopfen zu beseitigen. In manchen Fällen kann der gewünschte Offset auch dazu dienen, das Kraftstoffgemisch in einem oder mehreren Zylindern zu verändern, um als Kühlmittel für den Zylinder in Fällen zu agieren, in denen eine Anpassung des Zündzeitpunkts alleine die Klopfen nicht beseitigen kann.
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Die Offsetbestimmungseinheit 38 wird mit Zündungsdaten aus einem Zündkennfeld 51 in einer Summationsvorrichtung 5 kombiniert, um zu der gewünschten Änderung des Zündzeitpunkts 52 zu gelangen. Diese Änderung wird als Ausgabe des ECU 3 geliefert und dem Zündungssteuergerät 2 eingegeben, wo ein Spulentreiber 25 die Spule/Spulen der Zündkerzeneinheit 4 antreibt. Somit wird der durch das Steuersystem 1 bestimmte Offset an die Zündkerzeneinheit 4 rückgekoppelt, um den Zündzeitpunkt zu steuern. Falls auch ein Offset bezüglich des Kraftstoffgemischs verwendet wird, wird dieser ebenfalls als Ausgabe des ECU 3 an geeignete Bauteile des Motors (nicht dargestellt) geliefert.
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Beim Analysieren des Ionenstroms (z. B. in dem Zündungssteuergerät 2) kann die Position und Amplitude der Spitze des ersten Signals ebenfalls Informationen bezüglich der Verbrennungsgeschwindigkeit in dem Zylinder bereitstellen, wodurch der Bedarf für Korrekturen aufgezeigt wird, um die Kraftstoffeffizienz zu optimieren und den Zylinderdruck weiter zu beeinflussen. Indem somit das Signal analysiert wird, um Unterschiede im Vergleich mit dem Zündkennfeld (z. B. eine Darstellung erwarteter Werte für diese Parameter in einem Betriebszustand) zu bestimmen, welches den normalen Betrieb des Motors anzeigt, kann festgestellt werden, ob eine weitere Korrektur des Kraftstoffgemischs gewünscht ist oder ob der Zündzeitpunkt weiter angepasst werden sollte, um einen optimierten Betrieb des Motors zu ermöglichen. Diese Analyse kann in dem Zündungssteuergerät 2 oder dem ECU 3 oder in beiden Geräten stattfinden, und die Ergebnisse der Analyse können berücksichtigt werden, wenn der Offset bestimmt wird, der ebenfalls auf der den Zylinderdruck angebenden Motorkennzahl basiert, wie ebenfalls oben beschrieben.
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Die Erfindung soll durch die oben beschriebene bevorzugte Ausführungsform nicht als beschränkt angesehen werden, sondern kann innerhalb des Schutzumfangs der beigefügten Ansprüche verändert werden, wie es für den Fachmann ohne Weiteres ersichtlich wird. Zum Beispiel können die beschriebenen Analysen von verschiedenen Komponenten ausgeführt werden und manchmal in einer unterschiedlichen Reihenfolge.
