DE19803470B4 - Method and device for determining the gas forces in the combustion chamber of an internal combustion engine - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Bestimmen der Gaskräfte im Brennraum einer Brennkraftmaschine bei dem die Oberflächendehnungen von Bauteilen (10) der Brennkraftmaschine, die direkt oder indirekt vom Brennraumdruck in den Zylindern der Brennkraftmaschine mit einer Kraft beaufschlagt werden mittels mindestens eines kapazitiven Dehnungssensors (1) erfaßt werden und aus dem Ausgangssignal des Dehnungssensors (1) auf den Druck im Brennraum geschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnung mindestens eines, fest mit der Brennkraftmaschine verbundenen, Lagerarmes (10) erfaßt wird.Method for determining the gas forces in the combustion chamber of an internal combustion engine, in which the surface strains of components (10) of the internal combustion engine which are subjected to a force directly or indirectly from the combustion chamber pressure in the cylinders of the internal combustion engine are detected by means of at least one capacitive strain sensor (1) and from which Output signal of the strain sensor (1) is inferred about the pressure in the combustion chamber, characterized in that the strain is detected at least one, fixed to the internal combustion engine, bearing arm (10).

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Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Gaskräfte im Brennraum einer Brennkraftmaschine gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 2.The invention relates to a method and a device for determining the gas forces in the combustion chamber of an internal combustion engine according to the generic terms of claims 1 and 2.

Aufgrund der ständig verschärften gesetzlichen Vorschriften zur Überwachung von Verbrennungskraftmaschinen in Kraftfahrzeugen (z.B. On Board Diagnose OBD2) und den steigenden Anforderungen an die Laufkultur moderner Antriebsaggregate ist es notwendig, mehr Informationen über die Energieumsetzung bei der Verbrennung im Brennraum zu erhalten. Eine wichtige kennzeichnende Größe der Energieumsetzung im Brennraum ist der zeitliche Verlauf des Brennraumdruckes. Zur direkten Erfassung des Brennraumdruckes sind Brennraumdrucksensoren bekannt, deren Ausgangssignale für die Diagnose und Regelung der Verbrennung, zur Klopfregelung, zur Bestimmung der geleisteten Arbeit usw. ausgewertet werden. Eine solche direkte Erfassung des Druckes im Brennraum mittels darin angeordneter Drucksensoren ist mit hohen Bauteilekosten und einem erheblichen Mehraufwand bei der Konstruktion der Brennkraftmaschine, insbesondere des Brennraums verbunden.Due to the constantly tightening legal regulations for surveillance of internal combustion engines in motor vehicles (e.g. on board Diagnostics OBD2) and the increasing demands on running culture modern drive units, it is necessary to get more information about energy conversion when burning in the combustion chamber. An important characteristic of energy conversion in the combustion chamber is the time course of the combustion chamber pressure. to Direct detection of the combustion chamber pressure are combustion chamber pressure sensors known, the output signals for the Diagnosis and control of combustion, for knock control, for determination the work performed, etc. are evaluated. Such a direct capture the pressure in the combustion chamber by means of pressure sensors arranged therein is associated with high component costs and considerable additional effort the construction of the internal combustion engine, in particular the combustion chamber connected.

Desweiteren ist es bekannt ( EP 0 569 608 A1 ), den Druck im Brennraum einer Brennkraftmaschine mittels eines in Form einer Unterlegscheibe zwischen Zündkerze und Zylinderkopf angeordneten piezoresistiven Drucksensors zu erfassen.Furthermore, it is known ( EP 0 569 608 A1 ) to detect the pressure in the combustion chamber of an internal combustion engine by means of a piezoresistive pressure sensor arranged in the form of a washer between the spark plug and the cylinder head.

Darüber hinaus werden zur Messung der Oberflächendehnung Dehnungsmeßstreifen eingesetzt. Bei diesem Verfahren wird die Widerstandsänderung von Flachwiderständen bei Verformung als Wirkprinzip für die Dehnungsmessung herangezogen. Nachteile dieser Verfahren sind die sehr geringe Lebensdauer der verwendeten Dehnmeßstreifen und die äußerst geringe Überlastsicherheit, so daß deren Einsatz in Kraftfahrzeugen Grenzen gesetzt sind.In addition to measuring the surface stretch strain used. With this procedure the change in resistance of flat resistors for deformation as a working principle for the strain measurement is used. Disadvantages of these methods are the very short lifespan of the strain gauges used and the extremely low overload safety, so that their use limits are set in motor vehicles.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit denen es auf kostengünstige und einfache Weise ermöglicht wird, die Gaskräfte im Brennraum einer Brennkraftmaschine zu bestimmen.The invention is based on the object To specify methods and an apparatus with which it is inexpensive and enables simple way will, the gas forces to be determined in the combustion chamber of an internal combustion engine.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche 1 und 2 gelöst.This task is performed according to the characteristics of the independent claims 1 and 2 solved.

Erfindungsgemäß wird zur Analyse des Brennraumdruckes mindestens ein kapazitiver Dehnungssensor verwendet, der die Oberflächendehnung von Bauteilen erfaßt, welche direkt oder indirekt vom Zylinderdruck mit einer Kraft beaufschlagt werden. Bei diesen Bauteilen handelt es sich um einen, fest mit der Brennkraftmaschine verbundenen Lagerarm.According to the invention for the analysis of the combustion chamber pressure uses at least one capacitive strain sensor that measures the surface strain covered by components, which applies a force directly or indirectly from the cylinder pressure become. These components are one, fixed with the bearing arm connected to the internal combustion engine.

Anstelle der problematischen direkten Erfassung des Brennraumdruckes wird gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren auf eine indirekte Erfassung der Gaskräfte im Brennraum als Maß für die Energieumsetzung bei der Verbrennung zurückgegriffen.Instead of the problematic direct The combustion chamber pressure is recorded in accordance with the method according to the invention to an indirect detection of the gas forces in the combustion chamber as a measure of the energy conversion resorted to during combustion.

Durch eine solche indirekte Erfassung des Brennraumdruckes mit Hilfe preiswerter, alterungsbeständiger und überlastsicherer kapazitiver Dehnungssensoren können unerwünschte Verbrennungsabläufe, z.B. Klopfen bei einer Otto-Brennkraftmaschine oder Motorfehleinspritzungen bei einer Diesel-Brennkraftmaschine erkannt und negative Auswirkungen auf die Schadstoffemissionen und die Laufkultur sowie Schäden an der Brennkraftmaschine selbst vermieden werden. Da der Sensor außerhalb des Brennraums angeordnet ist, müssen keinerlei Veränderungen im Brennraum vorgenommen werden und die Sensoren sind geringeren Beanspruchungen in Form von Temperatur, Verschmutzung usw. ausgesetzt.Through such an indirect detection the combustion chamber pressure with the help of inexpensive, aging-resistant and overload-proof capacitive strain sensors can undesirable Combustion processes, e.g. Knock on an Otto internal combustion engine or incorrect engine injections in a diesel internal combustion engine recognized and negative effects on pollutant emissions and the running culture as well as damage be avoided on the internal combustion engine itself. Because the sensor outside the combustion chamber is arranged no changes be made in the combustion chamber and the sensors are smaller Exposed to stresses in the form of temperature, pollution, etc.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Advantageous further developments of Invention result from the subclaims.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.Embodiments of the invention are shown in the drawing and are described in more detail below.

Es zeigenShow it

1: eine Darstellung des Prinzips des kapazitiven Dehnungssensors, 1 : a representation of the principle of the capacitive strain sensor,

2: eine Anordnung des kapazitiven Dehnungssensors an der Stoßstelle zwischen Zylinderblock und Zylinderkopf, 2 : an arrangement of the capacitive strain sensor at the joint between the cylinder block and cylinder head,

3: eine Anordnung der Sensoren an der Motorblockaußenwand auf der Höhe des Brennraumes, 3 : an arrangement of the sensors on the engine block outer wall at the level of the combustion chamber,

4: eine Anordnung eines Sensors auf einem Lagerarm der Brennkraftmaschine und 4 : an arrangement of a sensor on a bearing arm of the internal combustion engine and

5: eine Anordnung der Sensoren am Beispiel einer Vierzylinderbrennkraftmaschine. 5 : an arrangement of the sensors using the example of a four-cylinder internal combustion engine.

Die 1 zeigt in stark vereinfachter schematischer Darstellung den Aufbau und das Prinzip eines an sich bekannten kapazitiven Dehnungssensors mit einem als Luftkondensator 5 ausgeführten kapazitiven Wandler. Ein solcher Dehnungssensor ist beispielsweise in der WO 96/05491 derselben Anmelderin ausführlich beschrieben. Das Sensorprinzip basiert dabei auf der Abhängigkeit der Kondensatorkapazität vom Abstand der ladungsführenden Teile. Der Luftkondensator 5 wird durch zwei kammförmig ausgestaltete und ineinandergreifende Elektrodenstrukturen 3, 4 gebildet, wobei jeweils eine Elektrode der einen Struktur 3 neben einer Elektrode der anderen Struktur 4 zu liegen kommt. Die Elektrodenstrukturen 3, 4 sind auf einem Sensorelement 1 aufgebracht, das auf der Oberfläche eines Bauteiles befestigt wird; das direkt oder indirekt als Konterkraft von den Gaskräften im Brennraum belastet wird und deren Oberfläche sich durch die anliegenden Kräfte im elastischen Bereich verformt. Durch die Einwirkung einer Kraft F, dessen Wirkrichtung mittels eines Pfeilsymbols eingezeichnet ist, ergibt sich aufgrund der auftretenden Oberflächendehnung eine Verschiebung V der Elektrodenstrukturen um die Abstände d1 bzw. d2. Die Kapazität des Luftkondensotors ist eine Funktion dieser Verschiebung.The 1 shows in a highly simplified schematic representation the structure and principle of a known capacitive strain sensor with an air condenser 5 executed capacitive converter. Such a strain sensor is described in detail, for example, in WO 96/05491 by the same applicant. The sensor principle is based on the dependence of the capacitor capacitance on the distance between the charge-carrying parts. The air condenser 5 is formed by two comb-shaped and interlocking electrode structures 3 . 4 formed, each having an electrode of one structure 3 next to an electrode of the other structure 4 comes to rest. The electrode structures 3 . 4 are on a sensor element 1 applied, which is attached to the surface of a component; which is directly or indirectly loaded as a counter force by the gas forces in the combustion chamber and whose surface is deformed by the applied forces in the elastic range. By the action a force F, the direction of action of which is shown by means of an arrow symbol, there is a displacement V of the electrode structures by the distances d1 and d2 due to the surface expansion that occurs. The capacitance of the air condenser is a function of this shift.

Zur Kompensation temperaturabhängiger Dehnungen, welche zu Fehlinterpretationen der vorliegenden Kräfte führen können, sollten die zum Montieren am Bauteil nötigen Befestigungspunkte des Sensorelementes bevorzugt auf einer Verbindungslinie liegen, die unter einem Winkel von 40° – 50°, vorzugsweise 45° zur Richtung der zu messenden Kraft bzw. Dehnung orientiert ist. In 1 sind die Befestigungspunkte mit den Bezugszeichen 12 und 13, die Verbindungsgrade zwischen diesen Befestigungspunkten mit VL bezeichnet. Durch eine hermetisch dichte Gehäuseausführung wird der Luftkondensator in besonderem Maße den Anforderungen im Kraftfahrzeug bezüglich Lebensdauer und Umweltbeständigkeit gerecht. Die aktuelle Kapazität und damit der aktuelle Verformungszustand der Bauteile wird über eine gesonderte Auswerteelektronik erfaßt, die entweder am Sensor selbst verbaut ist, wenn es sich um bewegte Teile handelt, oder im zentralen Motorsteuergerät der Brennkraftmaschine integriert sein kann.To compensate for temperature-dependent expansions, which can lead to misinterpretations of the forces present, the fastening points of the sensor element required for mounting on the component should preferably lie on a connecting line that is at an angle of 40 ° -50 °, preferably 45 °, to the direction of the force to be measured or stretch is oriented. In 1 are the attachment points with the reference symbols 12 and 13 , the degrees of connection between these attachment points designated VL. Thanks to a hermetically sealed housing design, the air condenser particularly meets the requirements in the motor vehicle with regard to service life and environmental resistance. The current capacity and thus the current state of deformation of the components is recorded by separate evaluation electronics, which are either installed on the sensor itself if the parts are moving, or can be integrated in the central engine control unit of the internal combustion engine.

Die nachfolgenden Figuren zeigen verschiedene Beispiele für besonders günstige Einbaulagen der Dehnungssensoren zur Erfassung der aus den Brennraumdrücken resultierenden Kräfte.The following figures show different examples of particularly cheap Installation positions of the strain sensors to record the resulting from the combustion chamber pressures Forces.

In 2 ist der kapazitive Dehnungssensor so an der Stoßstelle zwischen einem Zylinderblock 8 und einem Zylinderkopf 6 angeordnet, daß das Sensorelement 1 eine zwischen diesen beiden Teilen liegende Zylinderkopfdichtung 7 überspannt. Dabei sind die kraftaufnehmenden Enden des Sensorelemtes 1 jeweils fest mit dem Zylinderblock 8 und dem Zylinderkopf 6 verbunden, z.B. verschraubt. Die Trennfuge zwischen Zylinderblock 8 und Zylinderkopf 6 wird im Normalbetrieb durch die Zylinderkopfdichtung 7 vollständig verschlossen. Da die Zylinderkopfdichtung 7 bei der Montage der Brennkraftmaschine durch die Zylinderkopfschrauben (nicht dargestellt) parallel zur Zylinderlängsachse zusammengepreßt wird, ist auch bei hohen Brennraumdrücken die Dichtheit gewährleistet. Durch den Brennraumdruck ergibt sich jedoch eine Aufweitung der durch die Zylinderkopfdichtung 7 verschlossenen Trennfuge. Diese Aufweitung parallel zur Zylinderachse wird vom Dehnungssensor erfaßt. Dadurch erhält man ein Sensorsignal, das mit dem Brennraumdruck korreliert. Die Wirkrichtung der Dehnung ist mit einem Pfeilsymbol gekennzeichnet.In 2 is the capacitive strain sensor at the joint between a cylinder block 8th and a cylinder head 6 arranged that the sensor element 1 a cylinder head gasket between these two parts 7 spans. The force-absorbing ends of the sensor element 1 each firmly with the cylinder block 8th and the cylinder head 6 connected, eg screwed. The parting line between the cylinder block 8th and cylinder head 6 is in normal operation by the cylinder head gasket 7 completely closed. Because the cylinder head gasket 7 when the internal combustion engine is pressed together by the cylinder head screws (not shown) parallel to the longitudinal axis of the cylinder, tightness is ensured even at high combustion chamber pressures. The combustion chamber pressure, however, results in an expansion of the cylinder head gasket 7 closed parting line. This expansion parallel to the cylinder axis is detected by the strain sensor. This gives a sensor signal that correlates with the combustion chamber pressure. The direction of action of the stretch is marked with an arrow symbol.

Alternativ zur dargestellten Einbaulage kann der Dehnungssensor auch in die Zylinderkopfdichtung integriert werden und dort die Radialdehnung des Dichtungsmaterials infolge der Druckbeaufschlagung durch die Verbrennung im Brennraum erfassen.As an alternative to the installation position shown the strain sensor can also be integrated into the cylinder head gasket and there the radial expansion of the sealing material as a result the pressures caused by combustion in the combustion chamber.

3 zeigt eine weitere Möglichkeit, wie die kapazitiven Dehnungssensoren zur Erfassung des Brennraumdruckes angeordnet werden können. Neben dem Zylinderblock 8 ist schematisch der Kurbeltrieb, bestehend aus einer Kurbelwelle 9, nicht näher bezeichneten Pleueln, Kolben und einem Schwungrad dargestellt. Hierbei werden die Sensorelemente 1 an der Außenwand des Zylinderblockes 8 jeweils in Höhe der Brennräume angebracht. Durch eine solche Anordnung wird die durch den Brennraumdruck verursachte radiale Aufweitung des Zylinders recht winklig zur Zylinderlängsachse erfaßt. Die Wirkrichtung der Dehnung ist wieder mit einem Pfeilsymbol gekennzeichnet. 3 shows a further possibility of how the capacitive strain sensors can be arranged to record the combustion chamber pressure. Next to the cylinder block 8th is schematically the crank mechanism, consisting of a crankshaft 9 , unspecified connecting rods, pistons and a flywheel. Here the sensor elements 1 on the outer wall of the cylinder block 8th each installed at the level of the combustion chambers. With such an arrangement, the radial expansion of the cylinder caused by the combustion chamber pressure is detected at a right angle to the longitudinal axis of the cylinder. The direction of action of the stretch is again marked with an arrow symbol.

Eine weitere, sehr kostengünstige und am leichtesten zu realisierende Möglichkeit für den Einbau der Dehnungssensoren ist in 4 gezeigt. Hierbei wird mindestens ein Sensorelement 1 auf mindestens einem Lagerarm 10 der Brennkraftmaschine montiert. Die Lagerarme 10 der Brennkraftmaschine nehmen in Summe genau das Gegenmoment zum Antriebsmoment der Brennkraftmaschine auf. Durch die Erfassung der Oberflächendehnung der Lagerarme kann daher auf das Moment der Brennkraftmaschine und daraus wiederum der Brennraumdruck rückgerechnet werden. Wesentlicher Vorteil dieser Anordnung ist die leichte Realisierbarkeit.Another, very inexpensive and easiest to implement option for installing the strain sensors is in 4 shown. Here, at least one sensor element 1 on at least one bearing arm 10 the internal combustion engine mounted. The bearing arms 10 the internal combustion engine take up exactly the counter torque to the drive torque of the internal combustion engine. By detecting the surface expansion of the bearing arms, the moment of the internal combustion engine and, in turn, the combustion chamber pressure can be calculated from this. The main advantage of this arrangement is that it is easy to implement.

5 zeigt eine weitere Möglichkeit zur Ermittlung des Brennraumdruckes bei einer 4-Zylinder-Reihenbrennkraftmaschine. Dabei werden entsprechend den 4 Zylindern 4 kapazitive Dehnungssensoren derart angeordnet, daß die Sensorelemente 1 jeweils mittig zu den Zylindern an der Stoßstelle zwischen Zylinderblock 8 und Zylinderkopf 6 über die Zylinderkopfdichtung 7 hinweg angeordnet sind. So kann über die Dehnung an der Trennfuge zwischen Zykinderblock und Zylinder der Druckverlauf im Brennraum eines jeden Zylinders erfaßt und ausgewertet werden. Die Signale der einzelnen Dehnungssensoren 1 werden einer Auswerteelektronik 14 zugeführt, die in einer, die Steuerung und Regelung der Brennkraftmaschine übernehmenden elektronischen Steuerungseinrichtung 11 integriert ist. Diese analysiert anhand der Signale unter Zuhilfenahme der Ausgangssignale weiterer Sensoren und Komponenten, wie beispielsweise Kurbelwellensensor, Nockenwellensensor, Luftmassenmesser und Pedalwertgeber die Energieumsetzung in den einzelnen Brennräumen. 5 shows another way of determining the combustion chamber pressure in a 4-cylinder in-line internal combustion engine. The 4 cylinders are corresponding 4 capacitive strain sensors arranged such that the sensor elements 1 each in the middle of the cylinders at the joint between the cylinder block 8th and cylinder head 6 via the cylinder head gasket 7 are arranged away. The expansion in the joint between the cylinder block and the cylinder can be used to record and evaluate the pressure curve in the combustion chamber of each cylinder. The signals from the individual strain sensors 1 become an evaluation electronics 14 supplied in an electronic control device which takes over the control and regulation of the internal combustion engine 11 is integrated. Using the signals, this analyzes the output signals of other sensors and components, such as the crankshaft sensor, camshaft sensor, air mass meter and pedal value transmitter, for the energy conversion in the individual combustion chambers.

Das Ergebnis der Analyse kann genutzt werden, um kritische Zustände, wie z.B. das Klopfen bei einer Otto-Brennkraftmaschine oder Fehleinspritzungen und Undichtigkeiten an der Einspritzdüse bei einer Diesel-Brennkraftmaschine zu erkennen, das Gesamtabtriebsmoment der Brennkraftmaschine zu regeln und die Beiträge der einzelnen Zylinder zum Gesamtabtriebsmoment gleichzustellen. Darüberhinaus ist eine weitergehende Zustandsdiagnose für die einzelnen Zylinder, z.B. eine Kompressionsprüfung möglich.The result of the analysis can be used to critical conditions, such as. knocking on an Otto engine or faulty injections and injector leaks in a diesel engine to recognize to regulate the total output torque of the internal combustion engine and the posts of the individual cylinders equal to the total output torque. Furthermore is a further condition diagnosis for the individual cylinders, e.g. a compression test possible.

Claims (3)

Verfahren zum Bestimmen der Gaskräfte im Brennraum einer Brennkraftmaschine bei dem die Oberflächendehnungen von Bauteilen (10) der Brennkraftmaschine, die direkt oder indirekt vom Brennraumdruck in den Zylindern der Brennkraftmaschine mit einer Kraft beaufschlagt werden mittels mindestens eines kapazitiven Dehnungssensors (1) erfaßt werden und aus dem Ausgangssignal des Dehnungssensors (1) auf den Druck im Brennraum geschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnung mindestens eines, fest mit der Brennkraftmaschine verbundenen, Lagerarmes (10) erfaßt wird.Method for determining the gas forces in the combustion chamber of an internal combustion engine, in which the surface expansion of components ( 10 ) the internal combustion engine, which is acted upon directly or indirectly by the combustion chamber pressure in the cylinders of the internal combustion engine with a force by means of at least one capacitive strain sensor ( 1 ) are detected and from the output signal of the strain sensor ( 1 ) the pressure in the combustion chamber is inferred, characterized in that the expansion of at least one bearing arm (firmly connected to the internal combustion engine) 10 ) is detected. Vorrichtung zum Bestimmen der Gaskräfte im Brennraum einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem kapazitiven Dehnungssensor (1), der auf der Oberfläche eines direkt oder indirekt vom Brennraumdruck in den Zylindern der Brennkraftmaschine mit einer Kraft beaufschlagten Bauteilen (10) der Brennkraftmaschine aufgebracht ist, und mit einer Auswerteelektronik (14), die mit dem Sensor verbunden ist und aus dem Sensorsignal den Druck im Brennraum ermittelt, dadurch gekennzeichnet, daß der kapazitive Dehnungssensor (1) auf einem fest mit der Brennkraftmaschine verbundenen Lagerarm (10) angeordnet ist.Device for determining the gas forces in the combustion chamber of an internal combustion engine with at least one capacitive strain sensor ( 1 ) on the surface of a component that is directly or indirectly affected by the combustion chamber pressure in the cylinders of the internal combustion engine ( 10 ) the internal combustion engine is applied, and with evaluation electronics ( 14 ), which is connected to the sensor and determines the pressure in the combustion chamber from the sensor signal, characterized in that the capacitive strain sensor ( 1 ) on a bearing arm connected to the internal combustion engine ( 10 ) is arranged. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteelektronik (14) in das Gehäuse des kapazitiven Dehnungssensors (1) integriert ist.Device according to claim 2, characterized in that the evaluation electronics ( 14 ) in the housing of the capacitive strain sensor ( 1 ) is integrated.
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