-
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 und von einem Einspritzsystem.
-
Stand der Technik
-
Aus
der
DE 197 05 900
A1 ist ein Verfahren zur Regelung des Zündzeitpunktes einer Brennkraftmaschine
bekannt.
-
Zur
Regelung des Zündzeitpunktes
wird mittels eines Drucksensors der Gesamtdruckverlauf über dem
Kurbelwinkel im Zylinder einer Brennkraftmaschine festgestellt und
dieser Gesamtdruckverlauf in vier Teilbereiche unterteilt, die von
dem Kurbelwinkel –180° bis zu einem
am Prüfstand
festgelegten Integrationswinkel, von diesem Integrationswinkel bis zum
oberen Totpunkt, vom oberen Totpunkt bis zu dem positiven Integrationswinkel
und von diesem Winkel bis zum Kurbelwinkel 180° reichen. Der Integrationswinkel
hat einen fest definierten Abstand zum Verbrennungsschwerpunkt,
der den Zustand angibt, bei welchem die Hälfte der Frischladung verbrannt
ist. Im drehzahl- und lastunabhängigen
Idealfall liegt der Zündwinkel
an der Stelle des Verbrennungsdruck-Schwerpunktes, wobei in diesem
Falle die sich aus dem Verbrennungsdruckverlauf vom oberen Totpunkt
bis zum Integrationswinkel ergebende Teilfläche der Teilfläche, die
sich aus dem Verbrennungsdruckverlauf ergibt, entspricht, welche vom
Integrationswinkel bis zum Kurbelwinkel 180° reicht. Um die Drehzahl- und
Lastabhängigkeit
zu berücksichtigen,
wird die zweite Teilfläche
mit einem drehzahl- und lastabhängigen
Faktor Fa multipliziert, der am Prüfstand ermittelt wird.
-
Aus
dem Lehrbuch „Pischinger
R.: Thermodynamik der Verbrennungskraftmaschine, Springer Verlag,
Wien, ISBN 3-211-82105-8, 1989" ist
es bekannt, für
den Brennverlauf von einfachen mathematischen Funktionen auszugehen,
die sich in ihrer Form verändern
lassen und somit durch Variation von Verbrennungsbeginn, Verbrennungsdauer
und maximaler Energieumsetzung die Möglichkeit einer Optimierung
bieten. Unter Verwendung eines dreieckförmigen Brennverlaufes entspricht
die Grundlinie des Dreiecks der Verbrennungsdauer und die Dreieckshöhe der maximalen
Energieumsetzung. Verbrennungsdauer, Lage sowie Größe der maximalen
Energieumsetzung können
bei gleichbleibender Dreiecksfläche
variiert werden. Ferner wurde festgestellt, dass eine Exponential-Funktion
gut für
die Wiedergabe des realen Brennverlaufes geeignet ist.
-
Aus
der
DE 43 41 796 A1 ist
ein Verfahren zur Bestimmung der Verbrennungslage im Brennraum einer
Brennkraftmaschine bekannt, das dazu dient, eine Kenngröße zu ermitteln,
um Einfluss auf die Verbrennungslage auszuüben. Hierzu wird ein Brennraumdruck
und ein Kompressionsdruck erfasst und die Differenz aus beiden ermittelt.
Anschließend wird
aus der ermittelten Differenz das Integral gebildet. Dieses Integral
bildet den Ausgang zur Ermittlung einer Stellgröße für eine Regelung der Lage der Verbrennung.
-
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 43 41 796
A1 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.
-
Aufgabe
der Erfindung ist eine Realisierung einer möglichst einfachen Verbrennungsanalyse.
-
Die
Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruch 1 oder des Anspruchs
8 gelöst.
-
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 Druckdifferenzintegral nachgebildet, das
als Maß für die Energieumsetzung
dient. Der Formfaktor entspricht lediglich einem Zahlenwert für eine Fläche, die
an das Druckdifferenzintegral 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 Druckdifferenzintegral 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 1 eine an sich schon bekannte
Einrichtung zur Erfassung des Druckverlaufs in den Zylindern einer Brennkraftmaschine. 2 zeigt
den Zusammenhang zwischen Brennraumdruck und Kurbelwellenwinkel
mit und ohne Verbrennung. In 3 ist die Druckdifferenz über dem
Kurbelwellenwinkel aufgetragen. Die 4a, b
und c zeigen verschiedene Formfaktoren und die 5a und
b zeigen mögliche Verläufe für das Volumen
eingespritzten Kraftstoffs über
der Zeit oder dem Kurbelwellenwinkel.
-
In 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 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 3 ist
die Druckdifferenz ΔP(α), also die
Differenz zwischen den beiden in 2 aufgetragenen
Kurven über
dem Kurbelwellenwinkel dargestellt. Diese Druckdifferenz wird bei
der Ermittlung von Formfaktoren berücksichtigt.
-
Mit
der Vorrichtung nach 1 lässt sich unter Berücksichtigung
der ermittelbaren Druckdifferenz nach 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 eine
optimale Druckdifferenz aussehen muss, bietet es sich an, dass im
Steuergerät
die tatsächliche
Druckdifferenz ermittelt wird und mit gewünschten Verläufen verglichen
wird, wobei bei einer Abweichung beispielsweise die Einspritzsignale
verändert
werden müssen. Zur
Ermittlung des tatsächlichen
Formfaktors wird die Druckdifferenz 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. Die so erhaltene Druckdifferenz 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 4a,
b und c dargestellt. In 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 4b ist ein
Beispiel für
die Festlegung des Formfaktors F2 angegeben. Dieser wird aus der
Dauer bestimmt, während
der die Druckdifferenz 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
Figur 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
die Druckdifferenz anhand einer mathematischen Näherung beschrieben, beispielsweise durch
Annäherung
mit einem Polynom n-ter Ordnung. Es ergibt sich dann für die Druckdifferenz: Pd = f0 + f1Xα +
f2Xα2 + f3Xα3 + ... + fnα
-
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. die Druckdifferenz 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 5a.
-
dargestellt.
Auch die Einregelung eines gewünschten
Formfaktors durch einen Pulsbetrieb des Einspritzventils bzw. der
Einspritzventile ist möglich. Den
zugehörigen
Kraftstoffvolumenverlauf zeigt 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.