DE4318504C1 - Verfahren zur Erzeugung eines Regelsignals für den Zündzeitpunkt einer Brennkraftmaschine - Google Patents
Verfahren zur Erzeugung eines Regelsignals für den Zündzeitpunkt einer BrennkraftmaschineInfo
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Description
Die Steuerelektronik eines Ottomotors hat unter anderem die
Aufgabe, den die Motorleistung, den Kraftstoffverbrauch und
die Abgaswerte entscheidend beeinflussenden Zündzeitpunkt
stets auf einen optimalen Wert einzustellen. Den für den je
weiligen Betriebszustand des Motors optimalen Zündzeitpunkt
bestimmt man hierbei vorab in aufwendigen Versuchsreihen auf
einem Motorprüfstand. Neben den Betriebsparametern Drehzahl,
Last, Motortemperatur usw. hangt der optimale Zündzeitpunkt
aber auch noch von meßtechnisch kaum zu erfassenden Alte
rungsvorgängen im Motor ab. Deren Einfluß auf den Zündzeit
punkt ist im allgemeinen nicht vorhersagbar und für jeden Mo
tor verschieden. Es wird daher versucht, den von der Motor
steuerung vorgegebenen Zündzeitpunkt durch Überwachung des
Verbrennungsprozesses im Nachhinein auf seine Richtigkeit hin
zu überprüfen und ggf. zu korrigieren.
Die DE 40 01 362 A1 betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung
des Zündzeitpunkts in einer mehrere Zylinder aufweisenden
Brennkraftmaschine, die eine genaue Erfassung der in die je
weilige Brennkammer geladenen Luftmenge erlaubt. Die Vorrich
tung besteht im wesentlichen aus einer die Zündspule und das
Einspritzelement der Brennkraftmaschine ansteuernden Rechen
einheit und Sensoren zur Messung der Temperatur der An
saugluft, des Zylinderinnendrucks, der Maschinendrehzahl und
des Kurbelwinkels. Als Meßgröße für die Maschinenlast dient
die Zylinderluftmenge, die man gemäß der Beziehung
Q:= K1 · K2 · V(R₀) · P(R₀) aus dem Zylindervolumen V(R₀), dem
Zylinderdruck P(R₀) und den von der Ladelufttemperatur und
der Restabgasmenge abhängigen Korrekturfaktoren K1 und K2
berechnet. Die Größe R₀ bezeichnet einen Kurbelwinkel im Be
reich des unteren Totpunkts im Kompressionshub. Weicht die
gemessene Zylinderluftmenge von einem vorgegebenen Sollwert
ab, wird der Zündzeitpunkt entsprechend nachgeregelt.
Das aus DE 37 27 856 A1 bekannte Verfahren zur Regelung der
Ansaugluftmenge, des Luft-/Kraftstoff-Verhältnisses und des
Zündzeitpunkts soll die Gemischaufbereitung optimieren, die
Abgasemissionen und den Kraftstoffverbrauch dadurch verrin
gern sowie die Steuerbarkeit des Motors unabhängig von den
jeweiligen Umgebungsbedingungen (Luftdruck, Außentemperatur)
oder Alterungseffekten gewährleisten. Als Kennwert für die
Ausgangsleistung des Motors dient der maximale Verbrennungs
druck in den Zylindern, den man mit Hilfe von Piezosensoren
abtastet, mit einem von der Drosselklappenstellung, der
Drehzahl und weiteren Parametern abhängigen Sollwert ver
gleicht und durch Nachregelung der angesaugten Luftmenge so
lange ändert, bis er mit dem Sollwert übereinstimmt. Die Ein
stellung des Zündzeitpunkts SA erfolgt gemäß der Beziehung
SA = SA₀ - α(Rpmax - Rpmax0), wobei SA₀ einen von der Dreh
zahl und der Ansaugluftmenge abhängigen Sollzündzeitpunkt, α
eine Konstante, Rpmax den dem Maximum des gemessenen Zy
linderdrucks zugeordneten Kurbelwinkel und Rpmax0 einen im
Hinblick auf den Kraftstoffverbrauch optimalen Sollkurbelwin
kel für den maximalen Zylinderdruck bezeichnen.
Die DE 34 35 254 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Einstel
lung des Zündzeitpunkts eine Brennkraftmaschine auf einen für
den Wirkungsgrad optimalen Wert. Eingangsgrößen für den
Regelkreis der Vorrichtung sind der Kurbelwinkel maximalen
Brennraumdrucks und die vom jeweiligen Kolben während des
Verbrennungsprozesses geleistete Arbeit.
Die aus den US-A-4, 481, 925 oder 4, 727, 842 bekannten Ver
fahren verwenden ebenfalls die Kurbelwinkellage des Maximums
des Zylinderdrucks als Kriterium für den richtigen Zündzeit
punkt, wobei die Abweichung des dem Druckmaximum zugeordneten
Kurbelwinkels von einem fest vorgegebenen Sollwert das
gewünschte Korrektursignal liefert. Im Bereich hoher Lasten
ist die Lage des Druckmaximums recht gut mit der für das Wir
kungsgradoptimum relevanten Lage des thermodynamischen Ver
brennungsschwerpunkts korreliert. Völlig andere Verhältnisse
liegen dagegen im Teillastbereich, insbesondere in der Nähe
der Leerlaufbetriebspunkte vor, wo der allein von der Kom
pression des Kraftstoff-Luftgemischs hervorgerufene Druckan
stieg im Hochdruckteil des Motorzyklus den aufgrund der Ver
brennung erwarteten zusätzlichen Druckanstieg deutlich über
trifft. Im Teillastbereich kann man aus der Lage des Druck
maximums daher
kein ausreichend genaues Korrektursignal für den Zündzeit
punkt mehr ableiten.
Es soll ein Verfahren zur Erzeugung eines Regelsignals ange
geben werden, mit dem sich der Zündzeitpunkt einer Brenn
kraftmaschine auch im Teillastbetrieb, insbesondere im Leer
lauf, auf einen beispielsweise für den Wirkungsgrad optimalen
Wert einstellen läßt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß
durch Verfahren nach den Patentansprüchen 1 und 8 gelöst.
Der mit der Erfindung erzielbare Vorteil besteht insbesondere
darin, daß sich der Kraftstoffverbrauch eines Ottomotors ver
ringern, dessen Laufruhe verbessern und die Abgasemissionen
reduzieren lassen.
Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildun
gen und Ausgestaltungen der im folgenden anhand der Zeichnun
gen erläuterten Erfindung. Hierbei zeigt:
Fig. 1 den Brennverlauf in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel.
Fig. 2 den Zylinderdruck in Abhängigkeit vom Brennraumvolumen
während eines typischen Motorzyklus in doppeltlog
arithmischer Darstellung.
Fig. 3 den Zylinderdruck in Abhängigkeit von einer geeignet
gewählten Potenz des Brennraumvolumens.
Die Grundidee der Erfindung besteht darin, bei der Auswertung
des von einem Sensor gemessenen Zylinderdrucks im Hochdruck
teil des Motorzyklus zunächst denjenigen Anteil zu bestimmen
und abzutrennen, der auf die durch die Kolbenbewegung hervor
gerufene Änderung des Brennraumvolumens zurückgeht. Im Rahmen
dieser Signalvorverarbeitung kann man auch sensorspezifische
Fehler, insbesondere Nullpunktdriften kompensieren. Für jedes
betrachtete Zeitintervall wird dann eine von der Kolbenbewe
gung weitgehend unabhängige Maßzahl für den Fortschritt des
Verbrennungsvorgangs berechnet und daraus ein Schätzwert für
den Verbrennungsschwerpunkt abgeleitet. Nach der in der Mo
tortechnik üblichen Definition entspricht der Verbrennungs
schwerpunkt demjenigen Kurbelwinkel, bei dem die Hälfte des
insgesamt während eines Arbeitstaktes verbrennenden Kraft
stoffs bereits verbrannt ist. Die Abweichung des Schätzwertes
von dem für jeden Motor bekannten und kaum noch betrieb
spunktabhängigen optimalen Verbrennungsschwerpunkt liefert
dann das Regelsignal für die Adaption der Zündwinkelvorsteu
erung.
Der im ungefeuerten Motor nach dem Schließen des Einlaßven
tils beobachtete Druckanstieg läßt sich in guter Näherung
durch die Polytropenbeziehung
p₁(t) = K₁·{V(t)}-n₁ (1)
beschreiben, in der t die Zeit, p₁(t) den Druck im Brennraum
ohne den Einfluß chemischer Energieumsetzungen, V(t) das mo
mentane Volumen des Brennraumes und K₁ bzw. n₁ geeignet zu
wählende Konstanten bezeichnen.
Vernachlässigt man insbesondere den in der Praxis unvermeid
lichen Wärmeübergang zwischen dem Arbeitsgas und der Brenn
raumwand sowie die Gasverluste an den Kolbendichtungen, so
ist der Exponent n₁ durch das Verhältnis n₁ = Cp/CV der spe
zifischen Wärme Cp des Arbeitsgases bei konstantem Druck und
der spezifischen Wärme CV bei konstantem Volumen gegeben. Für
reine Luft unter Normalbedingungen nimmt dieses Verhältnis
den Wert n₁≈1,4 an. Um Abweichungen von diesen in der Pra
xis nie realisierten Idealbedingungen zu berücksichtigen,
werden der Exponent n₁ und der Faktor K₁ als Fitting-Parame
ter zur Anpassung des durch Gleichung (1) beschriebenen
Druckverlaufs p₁(t) an den tatsächlich beobachteten Druck
verlauf p(t) behandelt.
Zur Bestimmung der Parameter n₁ und K₁ berechnet man zunächst
das Brennraumvolumen V(t) gemäß der aus /1/ bekannten Bezie
hung
V(t) = VOT + 1/2 VH {1 + l/r - cosϕ - ((l/r)² - sin²ϕ)1/2)} (2)
wobei ϕ(t) den von einem entsprechenden Sensor gemessenen
Kurbelwinkel, VOT das Volumen des Verdichtungsraums am oberen
Totpunkt VH das Hubvolumen und der Quotient l/r das Pleuel
stangenverhältnis bezeichnen. Um ein lineares Ausgleichspro
blem für die Bestimmung der Parameter n₁ und K₁ zu erhalten,
werden geeignet gewählte Druckmeßwerte p(t) und die gemäß
Gleichung (2) berechneten Volumina V(t) logarithmiert und in
die aus (1) abgeleitete Gleichung (3) eingesetzt.
log(p₁(t)) = -n₁·log (V(t)) + log (K₁) (3)
Falls man den Zylinderdruck p(t) und den Kurbelwinkel ϕ nur
zu N diskreten Zeiten t = ti (i = 1, 2, . . . N) mißt, erleich
tert dies den Rechenaufwand für die Bestimmung der Parameter
n₁ und K₁ erheblich. Es ist dann lediglich eine Gerade durch
N äquidistante Punkte zu legen, wobei insbesondere die aus
/2/ bekannten elementaren Lösungsmethoden zur Anwendung kom
men.
Das beschriebene Verfahren liefert allerdings nur dann ver
nünftige Werte für die Parameter n₁ und K₁, wenn nur die in
nerhalb des schmalen Zeitfensters zwischen dem Schließen des
Einlaßventils und dem frühestmöglichen Einsetzen der Ver
brennung im Zylinder gemessenen Druckwerte p(t = ti) für den
Geradenfit herangezogen werden.
Bisherige Erfahrungen deuten darauf hin, daß die Größe n₁
während des Motorbetriebes sich sowenig ändert, daß man sie
fest vorgeben kann und dann mit K₁ als einzig zu bestimmendem
Parameter auskommt.
Mit den durch einen mit bestimmten Parametern n₁ und K₁ be
schreibt Gleichung (1) denjenigen Druckverlauf im Zylinder,
den man bei fehlender Verbrennung im Hochdruckteil des Ar
beitszyklus beobachten würde. Die Differenz zwischen dem
fiktiven ungefeuerten Druckverlauf p₁(t) und dem nach
Einsetzen der Verbrennung tatsächlich beobachteten Druckver
lauf p(t) kann man daher als Maßzahl für den Fortschritt des
Verbrennungsvorgangs heranziehen. Der Kurbelwinkel ϕS, bei
dem die dem Verbrennungsdruck entsprechende Differenz
p(t) - p₁(t) die Hälfte ihres Maximalwertes erreicht, dient
dann als Schätzwert für den Verbrennungsschwerpunkt. Hierbei
wird unterstellt, daß das Ansteigen der Differenz p(t) -
p₁(t) auf den Wert 1/2 Max {p(t) - p₁(t)} die Verbrennung der
Hälfte des im Zylinder vorhandenen Kraftstoffs signalisiert.
Formal läßt sich der gesuchte Schätzwert ϕs für den Verbren
nungsschwerpunkt durch Lösung der Gleichung
bestimmen. Die Größe S₁ bezeichnet hier den relativen Massen
anteil an Kraftstoff, der innerhalb des ausgewählten Ar
beitszyklus zu einem bestimmten Zeitpunkt bereits verbrannt
ist, bezogen auf die insgesamt während des Arbeitszyklus ver
brennende Kraftstoffmenge. In Fig. 1 ist die sich aus den
Gleichungen (4), (1) und (2) ergebende Abhängigkeit der Größe
S₁ vom Kurbelwinkel ϕ dargestellt. Da die Druckmeßwerte p(t)
nur zu Zeiten t = ti (i = 1, . . . N) erfaßt wurden, nimmt S₁
ebenfalls nur die durch Kreise markierten Werte an. Der
Schnittpunkt der auf einer s-förmigen Kurve liegenden Werte
mit der gestrichelt eingezeichneten Geraden S₁ = 0,5 liefert
den gesuchten Schätzwert ϕs für den Verbrennungsschwerpunkt.
Zusätzlich zeigt Fig. 1 auch eine die beiden Punkte s′ und
s′′ verbindende interpolationsgerade, die die Lösung der
Gleichung S₁ (ϕs = 0,5 erleichtert. Nach der Bestimmung des
Schätzwertes ϕs wird dieser mit dem für jeden Motor bekannten
optimalen Verbrennungsschwerpunkt verglichen, wobei die Dif
ferenz dieser beiden Werte als Regelsignal für die Zündwin
kelsteuerung dient.
Durch die Abtrennung des mit Hilfe der Polytropenrelation (1)
beschriebenen ungefeuerten Druckverlaufs p₁(t) vom gemessenen
Druckverlauf p(t) läßt sich eine von Motorzyklus zu Mo
torzyklus langsame Nullpunktsdrift des Drucksensors weitge
hend kompensieren. Eine sich von Zyklus zu Zyklus langsam än
dernde Empfindlichkeit des Drucksensors kann man anhand des
jeweils bestimmten Polytropenexponenten n1 erkennen und durch
Multiplikation des Sensorausgangssignals mit einem geeigneten
Faktor eliminieren.
Das oben beschriebene Verfahren kann in bekannten Motorsteu
ersystemen in Echtzeit ausgeführt werden. Es besitzt aller
dings den Nachteil, daß es eine durch die Volumenänderung des
verbrannten Gemisches bedingte Druckänderung nicht berück
sichtigt. So hängt die Druckdifferenz p(t) - p₁(t) nicht nur
vom Fortschritt der Verbrennung, sondern auch von Änderungen
des Brennraumvolumens V(t) ab. Vergrößert sich beispielsweise
das Brennraumvolumen V(t) in der Expansionsphase nach dem
Ende des Verbrennungsprozesses, so sinkt außer dem gemäß
Gleichung (1) berechneten ungefeuerten Druck p₁(t) auch der
durch die Verbrennung hervorgerufene Zusatzdruck
p(t) - p₁(t) ab.
Um die durch die Volumenänderung des verbrannten Gemisches
bedingte Druckänderung abzuspalten, wird ein der Gleichung
(1) entsprechender Polytropenansatz
p₂(t) = K₂·{V(t)}-n₂ (5)
gemacht, wobei man die Größen K₂ und n₂ wieder als Fitting-
Paramter behandelt. Im Unterschied zu dem oben beschrieben
Auswerteverfahren kommen jetzt nur solche Druckwerte p(tj)
(j: = 1, 2, 3 . . . N) für den der Bestimmung von K₂ und n₂
dienenden Geradenfit in Betracht, die innerhalb des schmalen
Zeitfensters zwischen dem spätestmöglichen Ende der Verbren
nung und dem Öffnen des Auslaßventils aufgezeichnet wurden.
Nach Einsetzen der so bestimmten Paramter n₂ und K₂ be
schreibt Gleichung (5) wieder denjenigen Druckverlauf p₂(t),
der bei fehlender Verbrennung im gesamten Hochdruckteil des
Arbeitszyklus im Zylinder herrschen würde, wobei die Extrapo
lation allerdings auf einem erst nach dem Ende der Verbren
nung gemessenen Datensatz beruht.
Die Fig. 2 zeigt den gemessenen Zylinderdruck p(t) in Ab
hängigkeit vom Brennraumvolumen V(t) während eines typischen
Motorzyklus in doppeltlogarithmischer Darstellung. In diesem
Diagramm sind die für die Bestimmung der Parameter ni und Ki
(i = 1, 2) relevanten und innerhalb eines vor bzw. nach dem
Verbrennungsvorgang liegenden Zeit- bzw. Kurbelwinkelfensters
gemessenen Druckwerte p(t) durch Kreise, die übrigen Meßwerte
durch Kreuze markiert. Die ebenfalls dargestellten Geraden
repräsentieren die oben angegebenen Polytropen p₁(t) bzw.
p₂(t), die sich nicht nur in ihrer Höhe, sondern im allge
meinen auch in ihrer durch die Exponenten n₁ bzw. n₂ gegebe
nen Steigung unterscheiden. Dies liegt vor allem daran, daß
die Verbrennung die Zusammensetzung des Gasgemisches verän
dert und die erheblich höheren Temperaturen einen größeren
Wärmeverlust bedingen. Trotz der daraus resultierenden Unter
schiede weichen die Konstanten nur unwesentlich voneinander
ab. Man kann daher in guter Näherung von der Beziehung n₁ =
n₂ = n ausgehen.
Für den Fall gleicher Exponenten werden die Polytropen p₁(t)
und p₂(t) im doppeltlogarithmischen Diagramm der Fig. 2 durch
zwei parallele Geraden dargestellt. Bezeichnet man mit S wie
der den relativen Massenanteil an Kraftstoff, der innerhalb
des ausgewählten Arbeitszyklus zu einem bestimmten Zeitpunkt
bereits verbrannt ist, bezogen auf die insgesamt während des
Arbeitszyklus verbrennende Kraftstoffmenge, so entspricht die
untere Gerade p₁ einem verbrannten Anteil S = 0, die obere
Gerade p₂ einem verbrannten Anteil S = 1.
Die in Fig. 2 gestrichelt dargestellte Gerade
log(p(V)) = log {1/2·(K₁ + K₂)} - n·log V (6)
kann man daher einem verbrannten Kraftstoffanteil S = 0,5 zu
ordnen und für die Bestimmung eines Schätzwertes ϕs für den
Verbrennungsschwerpunkt heranziehen. Nach dem Ende des Ar
beitszyklus wird festgestellt, welcher der in der zeitlichen
Folge letzte Meßwert ϕu des Kurbelwinkels unterhalb der durch
Gleichung (6) beschriebenen Geraden lag (also log(p) letztma
lig kleiner als der Ausdruck (6)) und welches der erste Meß
punkt ϕo des Kurbelwinkels oberhalb dieser Geraden war (also
log(p) größer als der Ausdruck (6)). Zwischen diesen beiden
Kurbelwinkel liegt dann der gesuchte Schätzwert ϕs
(ϕu < ϕs < ϕo) für den Verbrennungsschwerpunkt. Als Schnitt
punkt der experimentell bestimmten Trajektorie von (log p,
log V)-Paaren mit der Geraden (6) läßt er sich leicht durch
eine lineare Interpolation berechnen.
Ausgehend von Gleichung (4) kann man wieder eine Schätzgröße
S₂ für den Anteil verbrannten Kraftstoffs angeben und in Ab
hängigkeit vom Kurbelwinkel ϕ auftragen. Die Beziehung
folgt aus (4), indem man die den maximalen Verbrennungsdruck
repräsentierende Größe Max {p(t) - p₁(t)} durch die Differenz
p₂(t) - p₁(t) der Polytropendrücke ersetzt und die Gleichung
nach Multiplikation mit dem Faktor Vn/Vn unter Berück
sichtigung von (1) und (5) umformt. Die Werte S₂(ϕ) liegen auf
einer s-förmigen Kurve (vgl. Fig. 1), deren Schnittpunkt mit
der waagrechten Geraden S₂ = 0,5 wieder den gesuchten
Schätzwert ϕs für den Verbrennungsschwerpunkt liefert.
Die folgenden Ausführungen betreffen ein Verfahren, bei dem
der gemessene Zylinderdruck p(t) und die Polytropendrücke
pi(t) während eines jeden Abtastzeitpunktes ti miteinander
verglichen und voneinander subtrahiert werden.
Seien ti und ti+1 zwei aufeinanderfolgende Abtastzeitpunkte
und Vi bzw. Vi+1 die zugehörigen Brennraumvolumina. Würde man
nun zwischen den Kurbelwinkeln ϕi und ϕi+1 eine der Gleichung
(1) entsprechende Polytropenbeziehung ansetzen, ergäbe sich
für die fiktiven Druckwerte i und i+1 die Beziehung
und daraus
Durch den Einfluß der Verbrennung weicht die an den Abtast
punkten ti bzw. ti+1 tatsächlich gemessene Druckdifferenz
pi+1 - pi aber von der in (9) angegebenen Druckdifferenz ab.
Betrachtet man diese Abweichung als Maß für den Verbrennungs
fortschritt im Kurbelwinkelintervall zwischen ϕi und ϕi+1 so
erhält man als Schätzgröße S3K für den bis zum Kurbelwinkel
ϕK verbrannten Kraftstoffanteil:
Der erste in dieser Gleichung verwendete Druckwert p₀ muß
hierbei innerhalb des zwischen dem Schließen des Einlaßven
tils und dem frühestmöglichen Einsetzen der Verbrennung im
Zylinder liegenden Zeitfenster abgetastet worden sein; der
letzte verwendete Druckwert pN innerhalb des zwischen dem
spätestmöglichen Ende der Verbrennung und dem Öffnen des Aus
laßventils liegenden Zeitfensters gemessen werden.
Ebenso wie schon aus den Gleichungen (4) oder (7) läßt sich
auch aus dem Ausdruck (10) eine der Fig. 1 entsprechende
Darstellung der Größe S3K über den Kurbelwinkel ϕ gewinnen.
Der Schnittpunkt der Wertepaare (S3K(ϕi), ϕi) mit der
waagrechten Geraden S3K = 0,5 liefert dann wiederum den ge
suchten Schätzwert ϕs des Verbrennungsschwerpunkts.
Die bisher beschriebenen Verfahren dienen der Erzeugung eines
Regelsignals für den Zündwinkel in Betriebsbereichen des Ver
brennungsmotors, in denen die Optimierung des Wirkungsgrades
von besonderer Bedeutung ist. Demzufolge stand die Gewinnung
von Größen im Vordergrund, die eine starke Korrelation mit
dem thermodynamischen Verbrennungsschwerpunkt aufweisen. Es
ist jedoch ohne weiteres möglich, diese Verfahren auch zur
Erzeugung anderer Arten von Korrektursignalen einzusetzen.
Diese Signale können dann im Rahmen fortgeschrittener Motor
managementsysteme dazu beitragen, das Prinzip der Wirkungs
gradoptimierung zu ergänzen. So ist es denkbar, neben dem
einem Anteil S = 0,5 verbrannten Kraftstoffs zugeordneten
Kurbelwinkel auch Kurbelwinkel für andere verbrannte Anteile
s zu bestimmen und beispielsweise als Kenngröße des Verbren
nungsbeginns (S ≲0,05) oder des Verbrennungsendes (S ≳0,95)
zu verwenden. Diese beiden Kenngrößen dürften für die Adap
tion der Zündwinkel-Vorsteuerung in solchen Betriebsbereichen
des Motors von Interesse sein, in denen die Klopfgrenze oder
die Einhaltung bestimmter Abgasgrenzwerte von entscheidender
Bedeutung sind.
Zum anderen kann es sinnvoll sein, die Größe des Nenners in
den Gleichungen (4), (7) und (10) als Kriterium für eine
vollständige Verbrennung heranzuziehen. Bei unvollständiger
Verbrennung oder Zündaussetzern sollten diese Nenner nämlich
deutlich kleiner sein als unter normalen Umständen. Es eröff
net sich somit die Möglichkeit, eine unvollständige Verbren
nung bzw. Zündaussetzer zylinderselektiv zu erkennen und
durch eine entsprechende Änderung des Zündzeitpunkts zu un
terdrücken.
Bei der Bestimmung des Schätzwertes ϕs für den Verbrennungs
schwerpunkt ist es zunächst notwendig, alle Druckmeßwerte
p(t) vor deren Weiterverarbeitung zu logarithmieren. Diese
Operation bedingt einen nicht unerheblichen Rechenaufwand.
Außerdem muß eine eventuell vorhandene Nullpunktsdrift des
Drucksensors vor dem Logarithmieren eliminiert werden, um die
beiden oberen Kurvenäste in Fig. 1 weiterhin durch Geraden
beschreiben zu können. Eine einfache Eliminierung der Null
punktsdrift ist nur möglich, wenn man den Absolutwert des Zy
linderdrucks für einen Kurbelwinkel kennt. Ohne eine solche
Kenntnis müßte den beschriebenen Verfahren ein Algorithmus
zur Berechnung der Nullpunktdrift vorangestellt werden. Die
ser Algorithmus könnte sich daran orientieren, daß der Zylin
derdruck bei geschlossenen Ventilen außerhalb der Brennphase
einem Adiabatenverlauf folgen muß. Derartige Verfahren zur
Bestimmung eines Offsets sind beispielsweise aus /3/ bekannt.
Zum anderen wäre es möglich, die Nullpunktsdrift rein
rechnerisch durch den Wert zu definieren, den man von den ge
messenen Druckwerten p(t) subtrahieren muß, um bei der ei
gentlichen Auswertung eine befriedigende Anpassung der durch
(1) und (5) beschriebenen Geraden an die Meßwerte zu gewähr
leisten. Dies erfordert jedoch einen erheblich höheren Re
chenaufwand, was die angestrebte Echtzeitfähigkeit der be
schriebenen Verfahren gefährten könnte.
Im folgenden soll daher nicht das mit einem Offset behaftete
Drucksignal p(t), sondern ausschließlich das Brennraumvolumen
V(t) derart transformiert werden, daß man für die Poly
tropendrücke p₁(t) und p₂(t) jeweils eine lineare Beziehung
erhält. Besonders einfach gestaltet sich diese Transformation
für hinreichend genau bekannte Werte der Polytropenexponenten
n₁ bzw. n₂ die im folgenden vor und nach der Verbrennung den
selben Wert n₁ = n₂ = n haben sollen.
Die angesprochene Transformation läßt sich in einfacher Weise
veranschaulichen, wenn man den gemessenen Zylinderdruck p(t)
in Abhängigkeit von dem kurbelwinkelabhängigen Ausdruck
x(t): = {V(t)}-n (11)
aufträgt. Die Größe V(t) bezeichnet hier wieder das in Ein
heiten von (VOT + VH) gemessene und durch Gleichung (2) be
schriebene Brennraumvolumen. Für n = 1,3 erhält man den in
Fig. 3 gezeigten Druckverlauf, wobei die innerhalb der bei
den bereits genannten Zeit bzw. Kurbelwinkelfenster erfaßten
Meßwerte p(t) durch Rauten, die übrigen Meßwerte durch Kreuze
markiert sind. Deutlich zu erkennen ist ein Offset p₀ von
etwa 1 bar. Falls man die Empfindlichkeit K₀ und den Offset
p₀ des Drucksensors während eines Arbeitstaktes als konstant
betrachten kann, läßt sich das Ausgangssignal y(t) des Druck
sensors bei einer als annähernd linear vorausgesetzten Si
gnalübertragung durch
y(t) = K₀·{p(t) + p₀} (12)
beschreiben. Die Gleichungen (1) und (5) für den Polytropen
druck vor bzw. nach der Verbrennung liefern dann unter Ver
wendung von (11) den Signalverlauf
y₁(t) = K₀K₁ · x + K₀p₀ (13)
und
y₂(t) = K₀K₂ x + K₀p₀ (14)
Es sind dies zwei Geraden, die sich auf der y-Achse schneiden
(s. Fig. 3). Die Steigungen K₀ K₁ bzw. K₀ K₂ und den Schnitt
punkt K₀ p₀ erhält man durch einen Geradenfit. Hierbei werden
nur solche Ausgangssignale y(t) des Drucksensors herangezo
gen, die innerhalb des zwischen dem Schließen des Einlaßven
tils und dem frühestmöglichen Beginn der Verbrennung liegen
den Kurbelwinkelfensters bzw. zwischen dem spätestmöglichen
Verbrennungsende und dem Öffnen des Auslaßventils liegenden
Zeit- bzw. Kurbelwinkelfensters registriert wurden.
Aus der Lage eines Signalwertes y(t) zwischen den gefundenen
Polytropen (13) und (14) kann wieder auf den Fortschritt des
Verbrennungsvorgangs geschlossen werden. In Anlehnung an (4)
und (5) läßt sich unter Berücksichtigung von (13) und (14)
eine Durchbrennfunktion S(t) mit
definieren. In dieser Formel ist der Zähler dem momentanen
Verbrennungsdruck und der Nenner dem Maximalwert des Verbren
nungsdrucks proportional. Nach dem Ende eines Arbeitszyklus
wird das letzte Element Si(ti) mit einem Wert
S(ti) < 0.5·(K₁K₂ - K₀K₁) (16)
gesucht. Aus diesem und dem der Bedingung
S(ti+1) < 0.5 · (K₁K₂ - K₀K₁) (17)
genügenden Element S(ti+1) sowie den entsprechenden Kurbel
winkeln kann der Schätzwert ϕS für den Verbrennungsschwer
punkt in einfacher Weise durch eine lineare Interpolation be
rechnet werden.
Das oben beschriebene Verfahren hat den Vorteil, das man für
die Bestimmung der Durchbrennfunktion S(t) weder die Emp
findlichkeit K₀ noch den Offset p₀ des Drucksensors kennen
muß. Diese Größen werden vielmehr im Rahmen des Auswertever
fahrens bestimmt. Außerdem liefert das Verfahren bereits nach
Ablauf eines einzigen Motorzyklus einen Schätzwert ϕS für den
Verbrennungsschwerpunkt. Die tatsächliche Adaption der
Zündwinkel-Vorsteuerung ergibt sich dann durch Mittelung der
den einzelnen Zyklen zugeordneten Schätzwerte. Die Mitte
lungszeit ist hierbei geeignet vorzugeben. Wählt man sie zu
kurz, wird der voreingestellte Zündwinkel unnötig stark von
den statistischen Schwankungen des Verbrennungsvorgangs be
einflußt. Eine Verringerung des Wirkungsgrades der Verbren
nung und eine Erhöhung der Laufunruhe des Motors wären die
Folge. Wählt man die Mittelungszeit zu lange, reagiert die
Zündwinkelsteuerung nicht mehr schnell genug auf die den op
timalen Zündwinkel beeinflussenden physikalischen Parameter,
was sich insbesondere bei schnellen Lastwechseln nachteilig
auswirkt.
Die beschriebene Möglichkeit der Eliminierung sensorspezifi
scher Verzerrungen in den ausgewerteten Signalen muß sich
nicht auf die von Motorzyklus zu Motorzyklus auftretenden Än
derungen der Empfindlichkeit K₀ und der Nullpunktdrift p₀ des
Drucksensors beschränken. In gewissem Umfang lassen sich auch
zeitlich langsam ändernde Nichtlinearitäten des Sensors er
fassen. Diese Nichtlinearitäten haben zur Folge, daß man das
Sensorsignal y(t) als Funktion von x = {V(t)}-n vor und nach
der Verbrennung nicht mehr durch Geraden beschreiben kann.
Prinzipiell ist es aber möglich, aus den beobachteten Abwei
chungen von der Geraden auf die während des jeweiligen Ar
beitszyklus vorliegende Nichtlinearität zu schließen und de
ren Einfluß auf das gesuchte Ergebnis rechnerisch zu kompen
sieren. Wesentliche Voraussetzung für die on-line-Erfassung
von Nichtlinearitäten des Drucksensors während des Motorbe
triebes ist allerdings ein einem bekannten Gesetz folgender
Druckverlauf. Ein solcher existiert aber bestenfalls in dem
schmalen Kurbelwinkelfenster zwischen dem Schließen des Ein
laßventils und dem frühestmöglichen Beginn der Verbrennung
sowie zwischen dem spätestmöglichen Verbrennungsende und dem
Öffnen des Auslaßventils, wo die Gleichungen (1) und (5) nä
herungsweise gelten. Im allgemeinen treten jedoch während der
Verbrennungsphase zum Teil erheblich höhere Drücke auf als
innerhalb des durch die genannten Kurbelwinkelbereiche defi
nierten Zeitfenster. Nichtlinearitäten des Drucksensors im
Bereich höherer Drücke lassen sich meßtechnisch daher nur
dann erfassen und eliminieren, wenn sie in einer einfachen
Beziehung zu den bei niedrigeren Drücken beobachteten Nicht
linearitäten stehen.
/1/ Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, Robert Bosch GmbH,
19. Auflage 1984, S. 333 ff.
/2/ I.N. Bronstein, K.A. Semendjajew; Taschenbuch der
Mathematik, Verlag Harri Deutsch, Zürich u. Frankfurt,
11. Auflage 1971, S. 513-514
/3/ G. Roth, J. Glaser, G. Jurasek; Accurate Absolute Value at
Piezoelectric Pressure Measurements; ISATA; Florenz 1988.
Claims (11)
1. Verfahren zur Erzeugung eines Regelsignals für den Zünd
zeitpunkt einer Brennkraftmaschine,
bei dem ein Zylinderdruck p(t) und ein Kurbelwinkel ϕ(t) zu mindest während eines ersten Zeitintervalls gemessen werden, wobei das erste Zeitintervall im Hochdruckteil des Maschinen zyklus vor dem Beginn der Verbrennung eines Kraftstoff- /Luftgemischs liegt,
dadurch gekennzeichnet,
bei dem ein Zylinderdruck p(t) und ein Kurbelwinkel ϕ(t) zu mindest während eines ersten Zeitintervalls gemessen werden, wobei das erste Zeitintervall im Hochdruckteil des Maschinen zyklus vor dem Beginn der Verbrennung eines Kraftstoff- /Luftgemischs liegt,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß die Zeitabhängigkeit eines auf die Bewegung eines Kol bens im Zylinder zurückgehenden ersten Druckes p₁(t) ohne Berücksichtigung chemischer Energieumsetzungen bestimmt wird,
- - daß aus dem gemessenen Zylinderdruck p(t) und dem ersten Druck p₁(t) eine von der Kolbenbewegung unabhängige Maß zahl S(ϕ) für den Fortschritt der Verbrennung berechnet wird,
- - daß ein Kurbelwinkel ϕs bestimmt wird, für den die Maßzahl S(ϕ) einen vorgegebenen Wert annimmt und
- - daß die Abweichung des Kurbelwinkels ϕs von einem Sollwert zur Regelung des Zündzeitpunkts herangezogen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Größe
als Maßzahl für den Fortschritt der Verbrennung verwendet
wird und daß ein Kurbelwinkel ϕ₁ bestimmt wird, für den die
Maßzahl S₁(ϕ) einen vorgegebenen Wert annimmt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der erste Druck p₁(t) durch die Gleichung
p₁(t) = K₁ {V(t)}-n₁beschrieben wird, wobei K₁ und n₁ Konstanten und V(t) ein
Brennraumvolumen bezeichnen und daß der während des zwischen
dem Schließen eines Einlaßventils und dem frühestmöglichen
Beginn der Verbrennung liegenden ersten Zeitintervalls gemes
sene Zylinderdruck p(t) zur Bestimmung der Konstanten K₁ und
n₁ herangezogen wird.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden An
sprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Zeitabhängigkeit eines durch eine Volumenänderung ei
nes Verbrennungsproduktes hervorgerufenen zweiten Druckes
p₂(t) bestimmt wird, daß die Größe
als Maßzahl für den Fortschritt der Verbrennung verwendet
wird und daß ein Kurbelwinkel ϕ₂ bestimmt wird, für den die
Maßzahl S₂(ϕ) einen vorgegebenen Wert annimmt.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der zweite Druck p₂(t) durch die Gleichung
p₂(t) = K₂ {V(t)}-n₂beschrieben wird und daß der während eines zwischen dem spä
testmöglichen Ende der Verbrennung und dem Öffnen eines Aus
laßventils liegenden zweiten Zeitintervalls gemessene Zylin
derdruck p(t) zur Bestimmung der Konstanten K₂ und n₂ heran
gezogen wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß derselbe Wert n für die Konstanten n₁ und n₂ verwendet
wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Größe
als Maßzahl für den Fortschritt der Verbrennung verwendet
wird und daß ein Kurbelwinkel ϕ₃ bestimmt wird, für den die
Maßzahl S₃(ϕ) einen vorgegebenen Wert annimmt.
8. Verfahren zur Erzeugung eines Regelsignals für den Zünd
zeitpunkt einer Brennkraftmaschine bei dem
- - ein Zylinderdruck p(t) und ein Kurbelwinkel ϕ zumindest während eines im Hochdruckteil des Maschinenzyklus vor dem Beginn der Verbrennung eines Kraftstoff-/Luftgemischs lie genden ersten Zeitintervalls und während eines nach dem Verbrennungsende liegenden zweiten Zeitintervalls gemessen werden,
- - die Größe als Maßzahl für den Fortschritt der Verbrennung berechnet wird, wobei pi und pi-1 die zu Zeiten ti und ti-1 gemessen en Drücke, Vi und Vi-1 die entsprechenden Brennraumvolu mina, p₀ einen innerhalb des ersten Zeitintervalls gemessener ersten Zylinderdruck, pN einen während des zweiten Zeitintervalls gemessener letzter Zylinderdruck, K und N natürliche Zahlen und n eine Konstante bezeichnen,
- - ein Kurbelwinkel ϕ₄ bestimmt wird, für den die Maßzahl S₄(ϕ) einen vorgegebenen Wert annimmt und
- - die Abweichung des Kurbelwinkels ϕ₄ von einem Sollwert zur Regelung des Zündzeitpunkts herangezogen wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8
dadurch gekennzeichnet,
daß der Zylinderdruck p(t) nur zu diskreten Zeiten ti gemes
sen wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 4, 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Kurbelwinkel ϕi(i = 1, 2, 3, 4) bestimmt wird, für
den die Maßzahl Si(i = 1, 2, 3, 4) einen Wert zwischen Null
und Eins annimmt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Sollwert dem optimalen Verbrennungsschwerpunkt der
Brennkraftmaschine entspricht.
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Free format text: KLEINSCHMIDT, PETER, 81669 MUENCHEN, DE GARSSEN, HANS-GEORG VON, 81739 MUENCHEN, DE |
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8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
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