DE19749815B4

DE19749815B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung der eingespritzten Kraftstoffmenge

Info

Publication number: DE19749815B4
Application number: DE19749815A
Authority: DE
Inventors: Dr. Kuesell Matthias; Dirk-Rene Boehm
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-11-11
Filing date: 1997-11-11
Publication date: 2012-04-26
Anticipated expiration: 2017-11-12
Also published as: GB2331154A; ITMI982297A0; DE19749815A1; IT1302850B1; ITMI982297A1; GB2331154B; GB9823892D0

Abstract

Verfahren zur Ermittlung der eingespritzten Kraftstoffmenge bei einer Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Zylinderdrucksensor, der ein druckproportionales Spannungssignal liefert und einem Kurbelwellenwinkelsensor, der ein für die Kurbelwellenstellung repräsentatives Signal abgibt, und mit einer Auswerteeinrichtung, die das druckproportionale Spannungssignal mit dem Kurbelwellenwinkelsignal synchronisiert, wobei aus den kurbelwellenwinkelbezogenen Zylinderdruckwerten die indizierte Arbeit berechnet wird, die der Differenz der Hochdruckarbeit (Wi, HD) und der Ladungswechselarbeit (Wi, ND) entspricht, und wobei aus der indizierten Arbeit die Menge des eingespritzten Kraftstoffs bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Masse des eingespritzten Kraftstoffs und/oder der ermittelten indizierten Arbeit das durch die Verbrennung erzeugte Drehmoment ermittelt wird, und dass das aus dem Zylinderdruck ermittelte Drehmoment verglichen wird mit einem im Steuergerät aus der Fahrpedalstellung berechneten Drehmoment, und dass bei einer Abweichung die Masse des eingespritzten Kraftstoffs so verändert wird, dass sich die Abweichung verringert.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Ermittlung der eingespritzten Kraftstoffmenge bei einer Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Zylinderdrucksensor nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 6.
Stand der Technik
Zur Ermittlung der in einen Zylinder einer Brennkraftmaschine eingespritzten Kraftstoffmenge wird beispielsweise das Ausgangssignal eines Fördersignalsensors oder eines Nadelhubsensors, der die Bewegung des Einspritzventils registriert, ausgewertet. Eine solche Auswertung wird in der EP 0 444 055 A1 im Zusammenhang mit der Beschreibung einer Regelung einer Dieselbrennkraftmaschine beschrieben. Bei einer solchen Auswertung wird die Schließzeit des Einspritzventils ermittelt. Sie definiert die Einspritzdauer und bei vorgegebenem Düsenquerschnitt der Einspritzdüse die Menge des eingespritzten Kraftstoffs. Die Mengenbestimmung anhand des Ausgangssignales eines solchen Sensors ermöglicht ebenso wie die Mengenbestimmung über Modelle und Hilfsgrößen eine zuverlässige Regelung der Brennkraftmaschine, da die bestimmte Einspritzmenge als Istgröße für die Regelung verwendet werden kann. Mit einer solchen Istgröße ist es möglich, ein Drehmoment einzuregeln, das dem Fahrerwunsch entspricht. Der Fahrerwunsch wird über die Fahrpedalstellung erkannt. Eine solche Ermittlung des Ist-Moments, das der Kraftstoffmenge entspricht, erfordert jedoch eine Anzahl von Korrekturen und somit Rechenleistung vom Steuergerät. Eine Veränderung in der Kraftstoffqualität läßt sich nicht erkennen, damit kann ein Leistungs- bzw. Drehmomentverlust auftreten, falls sich der Brennwert des Kraftstoffs verringert. Ist der Heizwert eines unbekannten Kraftstoffs größer als eigentlich angenommen, kann es zu unzulässigen Triebwerksbelastungen kommen. Diese Probleme können lediglich vermieden werden, wenn anstelle eines Fördersignalsensors ein geeigneterer Sensor, der die Verbrennungsvorgänge zuverlässiger wiedergibt, eingesetzt wird.
Sensoren, die den Verbrennungsablauf im Zylinder einer Brennkraftmaschine zuverlässig wiedergeben, sind Brennraumdrucksensoren, die in den Zylindern der Brennkraftmaschine angeordnet sind. Aus den Ausgangssignalen der Brennraumdrucksensoren bzw. Zylinderdrucksensoren lassen sich Informationen gewinnen, mit deren Hilfe eine Regelung der Brennkraftmaschine durchgeführt werden kann. Ein solches Regelungsverfahren für eine Brennkraftmaschine, bei dem die Ausgangssignale von Zylinderdrucksensoren ausgewertet werden, ist beispielsweise aus der DE 43 41 796 A1 bekannt. Bei diesem bekannten Regelverfahren wird der Brennraumdruckverlauf bei einer Verbrennung mit dem Kompressionsdruckverlauf ohne Verbrennung verglichen. Die Differenz dieser Druckverläufe wird aufintegriert und aus dem Integral wird eine Stellgröße für die Regelung der Lage der Verbrennung gebildet. Anhand einer solchen Regelung Isst sich ein Betrieb der Brennkraftmaschine durchführen.
Aus dem Lehrbuch „Pischinger R.: Thermodynamik der Verbrennungskraftmaschine, Springer Verlag, Wien, ISBN 3-211-82105-8, 1989 ist es bekannt, die innere (indizierte) Arbeit Wi im pV-Diagramm als eingeschlossene Fläche zu ermitteln. Beim Vier-Takt-Motor entstehen dabei zwei Schleifen, von denen die Hochdruckschleife im Normalfall positiv und die Ladungswechselschleife meist negativ ist. Bei Ermittlung der inneren Arbeit sind die beiden Flächen unter Berücksichtigung der Vorzeichen zu addieren.
Aus der DE 40 31 367 A1 ist ein Steuersystem für eine selbstzündende Brennkraftmaschine bekannt, bei dem ein die Kraftstoffmenge anzeigendes Signal vom Fahrerwunsch und/oder vom gewünschten Drehmoment abhängt und abhängig von einem den Spritzbeginn anzeigenden Signal korrigiert wird.
Aus der DE 40 27 664 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Drehmomentsteuerung für Verbrennungsmotoren bekannt, bei denen der Verbrennungszustand aus dem in den Verbrennungskammern des Verbrennungsmotors herrschenden Druck ermittelt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, den Betrieb einer Brennkraftmaschine zu optimieren. Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche 1 oder 6 gelöst.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung der eingespritzten Kraftstoffmenge bei einer Brennkraftmaschine hat den Vorteil, dass eine einfache und sehr zuverlässige Regelung möglich ist, da die Auswertung der Ausgangssignale von Brennraumdrucksensoren keine großen Korrekturen erfordert und somit keine große Rechnerleistung benötigt. Außerdem sind Brennraumdrucksensoren kostengünstiger als Fördersignalsensoren. Die besonders exakte Wiedergabe der Verbrennungsvorgänge durch die Brennraumdrucksensoren ermöglicht eine besonders vorteilhafte Regelung der Brennkraftmaschine. Erzielt werden diese Vorteile durch ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen.
Weitere Vorteile der Erfindung werden durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen erzielt. Einer dieser weiteren Vorteile besteht darin, dass auch der Einsatz von Kraftstoff mit schwankenden Kraftstoffqualitäten möglich ist, ohne daß eine eigene Kraftstofferkennung erforderlich ist. Weiterhin ist vorteilhaft, daß die Leistung bis an die Grenze der zulässigen Triebwerksbelastung bzw. bei einem Dieselmotor bis an die Rußgrenze erhöht werden kann, ohne daß Überbelastungen zu befürchten sind. Ermöglicht werden diese Vorteile, da die Auswertung des Brennraumdruckverlaufs direkt die Energieumsetzung erkennen läßt. Die Verwendung von Kraftstoffen mit unterschiedlichen Heizwerten führt zu unterschiedlichen Verbrennungsabläufen, die ihrerseits wiederum zu entsprechenden Druckverläufen führen, die direkt ausgewertet werden. Somit läßt sich aus dem Zylinder- bzw. Brennraumdruckverlauf das durch die Verbrennung erzeugte Drehmoment ohne Kenntnis der Kraftstoffzusammensetzung ermitteln. Bei Kenntnis der Kraftstoffzusammensetzung bzw. bei Kenntnis des Heizwertes des verwendeten Kraftstoffs läßt sich die Menge des Kraftstoffs aus der indizierten Arbeit sehr exakt ermitteln.
Da die Ausgangssignale von Brennraumdrucksensoren weitere charakteristische Merkmale aufweisen, können von ihnen weitere Aufgaben übernommen werden, beispielsweise ist es möglich zusätzlich eine Klopferkennung durchzuführen, da die Ausgangssignale der Brennraumdrucksensoren in bestimmten Bereichen klopftypische Anteile aufweisen. Durch Auswertung der Höhe des Maximalwertes der Klopfsignale und/oder der Lage dieses Maximalwertes läßt sich beispielsweise eine Zylindererkennung durchführen, außerdem ist eine Aussetzererkennung möglich. Durch Auswertung des zeitlichen Abstandes aufeinanderfolgender Signal- bzw. Druckmaxima läßt sich die Drehzahl der Brennkraftmaschine bestimmen. In besonders vorteilhafter Weise lassen sich die Ausgangssignale der Zylinderdrucksensoren zu einer Drehmomentregelung anstatt einer Drehmomentsteuerung verwenden.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Im einzelnen zeigt 1 eine an sich schon bekannte Einrichtung zur Erfassung des Druckverlaufs in den Zylindern einer Brennkraftmaschine. 2 zeigt den Zusammenhang zwischen Druck und Volumen in einem Zylinder sowie die indizierte Arbeit für ein Arbeitsspiel einer Brennkraftmaschine
Beschreibung
In 1 sind die erfindungswesentlichen Bestandteile einer Vorrichtung zur Ermittlung der eingespritzten Kraftstoffmenge bei einer Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Brennraumdrucksensor dargestellt. Bei einer solchen Vorrichtung sind in den Zylindern 10, 11, 12 und 13 der Brennkraftmaschine jeweils Zylinderdrucksensoren 14, 15, 16 und 17 angeordnet, die druckproportionale Ausgangsspannungen U1, U2, U3 und U4 abgeben. Weiterhin ist ein Kurbelwellensensor 18 vorhanden, der ein für den Kurbelwellenwinkel α charakteristisches Ausgangssignal S1 abgibt.
Sowohl die Ausgangsspannungen der Zylinderdrucksensoren 14, 15, 16 und 17 als auch das Ausgangssignal S1 des Kurbelwellensensors 18 werden dem Steuergerät 19 der Brennkraftmaschine zugeführt, das diese Signale verarbeitet. Über Eingänge 20a können dem Steuergerät weitere Signale, beispielsweise eine Temperatur T, eine Last L usw. zugeführt werden, die im Steuergerät 19 ebenfalls weiterverarbeitet werden können. Über den Eingang 20b wird dem Steuergerät 19 ein Signal zugeführt, das ein Maß für die Fahrpedalstellung ist. Dieses Signal wird mit Hilfe eines Fahrpedalstellungsgebers 20c ermittelt, beispielsweise eines üblichen Fahrpedalstellungspotentiometers. Das Fahrpedalstellungssignal ist ein Maß für das vom Fahrer gewünschte Drehmoment der Brennkraftmaschine bzw. die vom Fahrer gewünschte Beschleunigung und damit für die einzuspritzende Kraftstoffmenge. Die Verarbeitung des Fahrpedalstellungssignals im Steuergerät 19 wird im folgenden noch näher beschrieben.
Das Steuergerät 19 umfaßt einen Multiplexer 21, über den wahlweise die Ausgangsspannungen der Zylinderdrucksensoren 14, 15, 16 und 17 zu einem Analog-Digitalwandler 22 geführt werden. Die Umschaltung des Multiplexers 21 erfolgt kurbelwellenwinkelabhängig und wird durch entsprechende Ansteuerungen vom Steuergerät 19 ausgelöst. Wird ein mehrkanaliger Analog-Digitalwandler eingesetzt, kann der Multiplexer 21 entfallen. Die eigentliche Auswertung der Signale erfolgt in einem Mikroprozessor 23 des Steuergeräts 19, der über eine Ausgabeeinheit 23a in Abhängigkeit von ermittelten Größen Steuersignale S2 und S3 an verschiedene Komponenten der Brennkraftmaschine, beispielsweise Einspritzsignale abgibt.
Die genaue Ermittlung des Drehmoments bzw. der eingespritzten Kraftstoffmenge erfolgt im Mikroprozessor 23 des Steuergerätes 19. Dazu wird zunächst das druckproportionale elektrische Spannungssignal, beispielsweise U1 mit dem Kurbelwinkel α synchronisiert. Danach liegen dem Mikroprozessor 23 kurbelwinkelbezogene Druckwerte P1 (α) vor, aus denen die indizierte Arbeit berechnet wird. Diese indizierte Arbeit entspricht dem indizierten Drehmoment. Zur Berechnung der indizierten Arbeit wird aus dem Signal des Kurbelwinkelsensors und aus Motor-Geometriedaten das kurbelwinkelabhängige Volumen im Zylinder berechnet. Mit diesen Volumendaten und den vom Brennraumdrucksensor gelieferten Druckdaten wird über ein Kurbelwellenintervall von –360°KW bis +360°KW das Integral pdV gebildet, welches der indizierten Arbeit Wi als Differenz der Hochdruckarbeit Wi, HD und der Ladungswechselarbeit Wi, ND entspricht. Der Zusammenhang zwischen Brennraumdruck und Volumen sowie die indizierte Arbeit sind in 2 dargestellt. Mit VOT und VUT ist das Volumen am oberen Totpunkt bzw. am unteren Totpunkt bezeichnet. Die so ermittelte Arbeit korreliert sehr gut mit der eingespritzten Kraftstoffmasse und mit dem durch die Verbrennung gelieferten Drehmoment unter der Voraussetzung, daß die Kraftstoffqualität bekannt und gleichbleibend ist.
Bei sich verändernden Kraftstoffqualitäten und damit bei sich veränderndem Heizwert kann durch Vergleich mit den vorher applizierten indizierten Arbeiten bei einem Vergleichskraftstoff die Einspritzmenge nachgeführt werden. Auch ein Vergleich mit der heute gebräuchlichen Mengenberechnung kann eine derartige Nachführung ermöglichen. Dazu wird allerdings eine Brennkraftmaschine benötigt, die neben den Brennraumdrucksensoren auch noch einen Fördersignalsensor aufweist.
In einer besonderen Form der Regelung einer Brennkraftmaschine, beispielsweise eines Dieselmotors wird die eingespritzte Kraftstoffmenge überhaupt nicht ermittelt, sondern es wird so viel Kraftstoff eingespritzt bis der vom Fahrer vorgegebene Drehmomentwunsch erreicht wird. Dieser Drehmomentwunsch wird vom Steuergerät 19 bzw. vom Mikroprozessor 23 des Steuergerätes 19 aus der Stellung des Fahrpedalsensors berechnet. Damit diese Berechnung möglich ist, muß in einer Applikationsphase vor der Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine das maximal zulässige Drehmoment ermittelt werden und so mit der Fahrpedalstellung verknüpft werden, daß das zulässige Drehmoment mit 100% gedrücktem Fahrpedal gekoppelt ist. Da die Fahrpedalstellung üblicherweise mit Hilfe eines Potentiometers ermittelt wird, kann ein Anschlag des Fahrpedalpotentiometers mit dem maximal zulässigen Drehmoment verknüpft werden. Eine Drehmomentbegrenzung ist dem Fahrerwunsch (Umsetzung Fahrpedalstellung in Menge oder Moment) nachgeschaltet, sie verhindert die Überlastung der Brennkraftmaschine.
Befindet sich in jedem Zylinder 10, 11, 12, 13 der Brennkraftmaschine, beispielsweise eines Dieselmotors ein Brennraumdrucksensor, kann eine zylinderindividuelle Regelung erfolgen. Bei einer solchen Regelung dient der aus der Stellung des Fahrpedalsensors berechnete Drehmomentwunsch als Soll-Wert und das aus dem gemessenen Brennraumdruck berechnete Drehmoment als Ist-Wert.

Claims

Verfahren zur Ermittlung der eingespritzten Kraftstoffmenge bei einer Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Zylinderdrucksensor, der ein druckproportionales Spannungssignal liefert und einem Kurbelwellenwinkelsensor, der ein für die Kurbelwellenstellung repräsentatives Signal abgibt, und mit einer Auswerteeinrichtung, die das druckproportionale Spannungssignal mit dem Kurbelwellenwinkelsignal synchronisiert, wobei aus den kurbelwellenwinkelbezogenen Zylinderdruckwerten die indizierte Arbeit berechnet wird, die der Differenz der Hochdruckarbeit (Wi, HD) und der Ladungswechselarbeit (Wi, ND) entspricht, und wobei aus der indizierten Arbeit die Menge des eingespritzten Kraftstoffs bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Masse des eingespritzten Kraftstoffs und/oder der ermittelten indizierten Arbeit das durch die Verbrennung erzeugte Drehmoment ermittelt wird, und dass das aus dem Zylinderdruck ermittelte Drehmoment verglichen wird mit einem im Steuergerät aus der Fahrpedalstellung berechneten Drehmoment, und dass bei einer Abweichung die Masse des eingespritzten Kraftstoffs so verändert wird, dass sich die Abweichung verringert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung ein Mikroprozessor des Steuergeräts der Brennkraftmaschine ist und dass die Brennkraftmaschine insbesondere ein Dieselmotor ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung der Masse des eingespritzten Kraftstoffs aus der indizierten Arbeit unter Berücksichtigung des Heizwertes des eingespritzten Kraftstoffes erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem Zylinder des Motor ein Brennraumdrucksensor angeordnet ist und die Regelung der Kraftstoffeinspritzung zylinderindividuell durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangssignale des Brennraumdrucksensors oder der Brennraumdrucksensoren zur Ermittlung weiterer, von Verbrennungsvorgängen in Zylindern der Brennkraftmaschine abhängigen Größen verwendet wird.
Vorrichtung zur Ermittlung der eingespritzten Kraftstoffmenge bei einer Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Zylinderdrucksensor, der ein druckproportionales Spannungssignal liefert und einem Kurbelwellenwinkelsensor, der ein für die Kurbelwellenstellung repräsentatives Signal abgibt und einer Auswerteeinrichtung, die das druckproportionale Spannungssignal mit dem Kurbelwellenwinkelsignal synchronisiert, wobei die Auswerteeinrichtung derart ausgebildet ist, dass sie aus den kurbelwellenwinkelbezogenen Zylinderdruckwerten die indizierte Arbeit berechnet, die der Differenz der Hochdruckarbeit (Wi, HD) und der Ladungswechselarbeit (Wi, ND) entspricht, und dass sie aus der indizierten Arbeit die Menge des eingespritzten Kraftstoffs bestimmt, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung derart ausgebildet ist, dass sie aus der Masse des eingespritzten Kraftstoffs und/oder der ermittelten indizierten Arbeit das durch die Verbrennung erzeugte Drehmoment ermittelt, und dass sie das aus dem Zylinderdruck ermittelte Drehmoment vergleicht mit einem im Steuergerät aus der Fahrpedalstellung berechneten Drehmoment und bei einer Abweichung die Masse des eingespritzten Kraftstoffs so verändert, dass sich die Abweichung verringert.