DE19749816A1 - Verfahren zur Ermittlung eines Formfaktors für die Energieumsetzung - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Ermittlung eines Formfaktors für die Energieumsetzung bei einer Brennkraftmaschine insbesondere einer Dieselbrennkraftmaschine mit wenigstens einem Zylinderdruck- bzw. Brennraumdrucksensor nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Stand der Technik

Es ist bekannt, den Verlauf des Zylinderdrucks bzw. des Brennraumdrucks in wenigstens einem Zylinder einer Brennkraftmaschine mit Hilfe geeigneter Drucksensoren zu ermitteln und aus dem Druckverlauf in Abhängigkeit vom Kurbelwellenwinkel Informationen bezüglich des Verbrennungsablaufs zu gewinnen. Aus diesen Informationen werden Ansteuersignale zur Steuerung der Zündung und/oder Einspritzung berechnet. Üblicherweise ist bei solchen Anordnungen jedem Zylinder der Brennkraftmaschine ein Brennraumdrucksensor zugeordnet, zusätzlich wird ein Kurbelwellenwinkelsensor eingesetzt, der ein Ausgangssignal liefert, das repräsentativ ist für die Kurbelwellenstellung. Sowohl der Brennraumdruckverlauf als auch das Ausgangssignal des Kurbelwellenwinkelsensors werden gemeinsam vom Steuergerät der Brennkraftmaschine ausgewertet. Die Auswertung des Zylinderdruckverlaufs bzw. des Brennraumdruckverlaufs in Verbindung mit einer Brennkraftmaschinenregelung wird beispielsweise in der DE-OS 43 41 796 beschrieben.

Bei dieser bekannten Einrichtung wird aus dem Brennraumdruck in Abhängigkeit vom Kurbelwellenwinkel die Verbrennung in jedem Zylinder der Brennkraftmaschine analysiert, wobei der gemessene Brennraumdruckverlauf verglichen wird mit einem gespiegelten Druckverlauf. Dieser gespiegelte Druckverlauf wird erhalten, indem der zwischen 0° KW und dem oberen Totpunkt OT gemessene Druckverlauf oberhalb von OT symmetrisch fortgesetzt wird. Ein solcher Druckverlauf würde bei einer idealen Brennkraftmaschine auftreten, sofern keine Verbrennung stattfindet und sich die Brennkraftmaschine demnach im geschleppten Betrieb befinden würde. Aus der Differenz zwischen dem gemessenen Brennraumdruckverlauf und dem Druckverlauf im geschleppten Betrieb lassen sich wesentliche Informationen bezüglich des Verbrennungsvorgangs gewinnen. Beispielsweise wird in der bekannten Einrichtung die Verbrennungslage aus dem Differenzintegral ermittelt. Die ermittelte Verbrennungslage wird anschließend bei der Regelung der Brennkraftmaschine als Istwert berücksichtigt.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung eines Formfaktors für die Energieumsetzung bei einer Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Zylinderdrucksensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß zur Verbrennungsanalyse die Auswertung eines bestimmten Faktors genügt, wobei dieser Faktor als Formfaktor der Energieumsetzung bezeichnet wird. Dieser Formfaktor wird in vorteilhafter Weise einem Differenzdruckintegral nachgebildet, das als Maß für die Energieumsetzung dient. Der Formfaktor entspricht lediglich einem Zahlenwert für eine Fläche, die an das Differenzdruckintegral angepaßt wird und der Formfaktor kann in vorteilhafter Weise mit Hilfe einfacher geometrischer Beziehungen dargestellt werden. Beispielsweise kann der Formfaktor aus zwei Dreiecksflächen oder zwei Vierecksflächen gebildet werden. In vorteilhafter Weise läßt sich der Formfaktor auch nach anderen Kriterien bilden, beispielsweise als Zahlenwert, der angibt, wie lange das Differenzdruckintegral oberhalb eines Schwellwertes liegt.

Wird ein mehrstufiges oder ein stufenloses Einspritzventil eingesetzt, mit dem beliebige Formfaktoren erzeugt werden können, läßt sich eine optimale Einspritzregelung erzielen. Insgesamt läßt sich eine Brennkraftmaschinenregelung erzielen, die hinsichtlich Verbrauch, Geräuschentwicklung und Schadstoffemissionen optimierbar ist. Es ist ferner ein Betrieb der Brennkraftmaschine möglich, bei dem bei Bedarf ein hohes Drehmoment erzeugbar ist. In vorteilhafter Weise wird die Erfindung in Verbindung mit einem direkt einspritzenden Dieselmotor eingesetzt.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Im einzelnen zeigt Fig. 1 eine an sich schon bekannte Einrichtung zur Erfassung des Druckverlaufs in den Zylindern einer Brennkraftmaschine. Fig. 2 zeigt den Zusammenhang zwischen Brennraumdruck und Kurbelwellenwinkel mit und ohne Verbrennung. In Fig. 3 ist der Differenzdruckverlauf über dem Kurbelwellenwinkel aufgetragen. Die Fig. 4a, b und c zeigen verschiedene Formfaktoren und die Fig. 5a und b zeigen mögliche Verläufe für das Volumen eingespritzten Kraftstoffs über der Zeit oder dem Kurbelwellenwinkel.

In Fig. 1 sind die erfindungswesentlichen Bestandteile einer Vorrichtung zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren bei einer Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Brennraumdrucksensor dargestellt. Bei einer solchen Vorrichtung sind in den Zylindern 10, 11, 12 und 13 der Brennkraftmaschine jeweils Brennraumdrucksensoren bzw. 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 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.

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 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 P(α) vor, die mit Druckwerten, die im geschleppten Betrieb zu erwarten sind, verglichen werden.

Diese Druckwerte, die im geschleppten Betrieb auftreten, werden nach einem vorgebbaren Verfahren ermittelt, beispielsweise wird bis zum oberen Totpunkt OT der gemessene Brennraumdruck verwendet und oberhalb von OT der an OT gespiegelte Brennraumdruck. Es können jedoch auch andere Verfahren zur Ermittlung des Druckverlaufs im geschleppten Betrieb eingesetzt werden.

In Fig. 2 zeigt die obere Kurve A den Brennraumdruckverlauf P(α) über dem Kurbelwellenwinkel α mit Verbrennung. Die untere Kurve B zeigt den Brennraumdruckverlauf ohne Verbrennung, wobei der Druckverlauf oberhalb von OT wie bereits erwähnt durch Spiegelung erhalten wurde.

In Fig. 3 ist der Differenzdruckverlauf ΔP(α), also die Differenz zwischen den beiden in Fig. 2 aufgetragenen Kurven über dem Kurbelwellenwinkel dargestellt. Dieser Differenzdruckverlauf wird bei der Ermittlung von Formfaktoren berücksichtigt.

Mit der Vorrichtung nach Fig. 1 läßt sich unter Berücksichtigung des ermittelbaren Differenzdruckverlaufs nach Fig. 3 ein Formfaktor aus der Energieumsetzung bzw. dem Brennraumdruckverlauf gewinnen. Dieser Formfaktor ermöglicht es beispielsweise bei Motoren, insbesondere Dieselmotoren mit Kraftstoffeinspritzung direkt in den Zylinder eine sehr exakte Einspritzregelung aufzubauen. Bei Systemen mit Voreinspritzung zur Geräusch- und Schadstoffreduzierung kann ein Feedback erhalten werden, wie erfolgreich die Voreinspritzung hinsichtlich einer gewünschten Form des Brennraumdruckverlaufs war. Da prinzipiell bekannt ist, wie eine optimale Energieumsetzung auszusehen hat, bzw. wie ein optimaler Brennraumdifferenzdruckverlauf aussehen muß, bietet es sich an, daß im Steuergerät der tatsächliche Brennraumdifferenzdruckverlauf ermittelt wird und mit gewünschten Verläufen verglichen wird, wobei bei einer Abweichung beispielsweise die Einspritzsignale verändert werden müssen. Zur Ermittlung des tatsächlichen Formfaktors wird der Brennraumdifferenzdruckverlauf wie folgt ausgewertet: Es werden alle Druckdifferenzen in einem bestimmten Kurbelwellenwinkelintervall oder über den gesamten Verbrennungszyklus zwischen -360° und 360° KW gerechnet. Zu dieser Berechnung wird vom gemessenen Brennraumdruck der für geschleppten Betrieb erhaltene Brennraumdruck abgezogen. Der so erhaltene Differenzdruckverlauf wird hinsichtlich geeigneter Eigenschaften ausgewertet. Beispielsweise kann die maximale Steigung durch Bildung der ersten Ableitung bestimmt werden, es kann auch die Dauer der Verbrennung ermittelt werden, beispielsweise aus dem Abstand der 0-Lagen. Weiterhin kann die Verweildauer über einer bestimmten Schwelle ausgewertet werden oder der Maximaldruck oder ähnliche geometrische Größen. Diese Bewertungen führen letzt endlich immer zu einer Zahl, dem sogenannten Formfaktor. Einige Beispiele für die Bestimmung eines Formfaktors sind in den Fig. 4a, b und c dargestellt. In Fig. 4a wird der Formfaktor aus zwei Dreiecksflächen mit dem Verhältnis von zwei Steigungen X1 und X2 berechnet. Der Formfaktor läßt sich in diesem Fall beispielsweise darstellen als F1 = X1/X2. In Fig. 4b ist ein Beispiel für die Festlegung des Formfaktors F2 angegeben. Dieser wird aus der Dauer bestimmt, während der der Differenzdruck oberhalb von einer Schwelle Sch liegt. Diese Dauer ist mit αD bezeichnet. Ein dermaßen gebildeter Formfaktor F2 läßt sich also darstellen als F = f(αD).

In Fig. c ist ein Beispiel für eine Formfaktorbestimmung dargestellt, bei dem der Formfaktor F3 aus zwei Viereckflächen gebildet wird, wobei eine der Flächen ein Quadrat mit der Kantenlänge a1 und die andere ein Rechteck mit den Kantenlängen a1 und b1 ist. Der zugehörige Formfaktor läßt sich darstellen als F3 = a1/b1.

Die aufgezeigten Formfaktoren stellen letzt endlich immer dimensionslose Zahlen dar, die zu einer Formfaktorregelung des Brennraumdruckverlaufs der Brennkraftmaschine verwendet werden können.

Wird der Differenzdruckverlauf anhand einer mathematischen Näherung beschrieben, beispielsweise durch Annäherung mit einem Polynom n-ter Ordnung. Es ergibt sich dann für den Brennraumdifferenzdruckverlauf:

Pd = f0 + f1Xα + f2Xα² + f3Xα³+ . . . + fnaⁿ

Die einzelnen Faktoren dieses Polynoms f0, . . . fn werden dann in einen Formfaktor überführt.

Wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung eines Formfaktors in Verbindung mit einer Brennkraftmaschine mit speziellen Einspritzventilen eingesetzt, läßt sich die Einspritzung weiter optimieren. Bei einer Brennkraftmaschine mit Einspritzventilen, die mehrstufig oder stufenlos einstellbar sind lassen sich verschiedenartige Formfaktoren für die Energieumsetzung bzw. den Brennraumdifferenzdruckverlauf erzeugen. Optimal wären Einspritzventile, mit denen innerhalb einer Zeiteinheit beliebige Verläufe des eingespritzten Kraftstoffvolumens über der Zeit oder dem Kurbelwellenwinkel erzeugt werden können. Solche Kraftstoffvolumenverläufe sind in Fig. 5a dargestellt. Auch die Einregelung eines gewünschten Formfaktors durch einen Pulsbetrieb des Einspritzventils bzw. der Einspritzventile ist möglich. Den zugehörigen Kraftstoffvolumenverlauf zeigt Fig. 5b. Durch Verwendung eines derartigen Einspritzventils und mindestens eines Brennraumdrucksensors bzw. Zylinderdrucksensors läßt sich sowohl die Geräuschentwicklung als auch die Schadstoffentwicklung auf minimale Werte einstellen.

In einer Applikationsphase lassen sich die gewünschten Optimierungen hinsichtlich Geräuschentwicklung, NOx- Emission, Rußemission, Drehmoment usw. Soll-Formfaktoren definieren, die in einem Betriebskennfeld abgelegt werden, das abhängig von der Drehzahl und vom Drehmoment ist, wobei dieses Drehmoment entsprechend dem Fahrerwunsch aus der Fahrpedal-Stellung ermittelt wird. Diese Formfaktoren werden dann durch Vergleich mit den Ist-Formfaktoren eingeregelt. Die Regelung wird beispielsweise steuergeräteintern durchgeführt.

Befindet sich in jedem Zylinder der Brennkraftmaschine ein Brennraumdrucksensor, kann die Formfaktorbestimmung und damit die Verbrennungsregelung zylinderindividuell ausgeführt werden. Die Brennraumdrucksensoren bzw. ihre Ausgangssignale können für weitere Aufgaben herangezogen werden, beispielsweise zur Klopferkennung, Aussetzererkennung, zur Abschätzung der Drehzahl usw., wobei gegebenenfalls andere Sensoren ersetzt werden können oder zumindest durch Vergleiche Plausibilitätsüberprüfungen möglich sind.

Claims (9)

1. Verfahren zur Ermittlung einer verbrennungsabhängigen Größe bei einer Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Zylinderdrucksensor, der ein druckabhängiges Signal liefert, das zu einem von einem Kurbelwellenwinkelsensor gelieferten Signal in Bezug gesetzt wird, zur Erzeugung eines kurbelwellenwinkelabhängigen Druckverlaufs, dadurch gekennzeichnet, daß abhängig vom kurbelwellenwinkelabhängigen Druckverlauf wenigstens ein Formfaktor für die Energieumsetzung gebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckverlauf mit einem im geschleppten Betrieb gültigen Brennraumdruckverlauf verglichen wird, zur Ermittlung des Brennraumdifferenzdruckverlaufs und daß der Formfaktor oder die Formfaktoren ein Differenzdruckintegral nachbilden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennraumdifferenzdruckintegral zwischen vorgebbaren Kurbelwellenwinkeln gebildet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die indizierte Arbeit (∫pdV) ermittelt wird und daraus Formfaktoren bestimmt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Formfaktor unter Verwendung von geometrischen Funktionen gebildet wird, insbesondere unter Verwendung von wenigstens zwei Dreiecken oder zwei Vierecken, deren Größe so gewählt wird, daß ihre Fläche näherungsweise dem Brennraumdifferenzdruckintegral entspricht.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Formfaktor aus einem Bereich oder einer Dauer gebildet wird, während der der Brennraumdifferenzdruck oberhalb einer vorgebbaren Schwelle liegt.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Formfaktor unter Berücksichtigung der mathematischen Beschreibung des Brennraumdifferenzdruckverlaufs durch die Annäherung mit einem Polynom n-ten Grades gebildet wird und die einzelnen Faktoren des Polynoms (f0, . . . fn) in einen Formfaktor überführt werden.

8. Einspritzsystem bei einer Brennkraftmaschine, bei dem die Regelung der Einspritzung unter Berücksichtigung der nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ermittelten Formfaktoren erfolgt, wobei die Regelung erfolgt, indem die Formfaktoren durch Vergleich mit den Ist-Formfaktoren eingeregelt werden.

9. Einspritzsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein mehrstufig oder stufenlos einstellbares Einspritzventil eingesetzt wird, das Einspritzvorgänge ermöglicht, mit denen beliebige Formfaktoren erzeugt werden können.