DE4402938A1 - Verfahren zur Steuerung eines Kolbenverbrennungsmotors unter Einhaltung der Laufgrenze - Google Patents

Description

Die ständig steigenden Anforderungen an die Schadstoff­ reduzierung haben in der letzten Zeit unter anderem zur Einführung von Magerkonzepten sowie von Konzepten mit Abgasrückführung geführt. Bei den Magerkonzepten ist neben der Absenken von Rohemissionen eine Einsparung von Kraft­ stoff möglich. Bei Konzepten mit Abgasrückführung wird bei gleichzeitiger Nutzung eines 3-Wege-Katalysators eine besonders gute Verminderung der gesamten Emission möglich.

Beiden Konzepten ist gemeinsam, daß in bestimmten Betriebs­ bereichen des Motors eine möglichst starke Abmagerung bzw. eine hohe Abgasrückführungsrate erwünscht ist, daß jedoch aufgrund möglicher Umgebungseinflüsse ein gewisser Abstand zur sogenannten "Laufgrenze" eingehalten werden muß. Die "Laufgrenze" kann definiert werden als die Grenze der Abmagerung bzw. der Abgasrückführungsrate, jenseits der die Zündung des Gemisches nicht mehr in jedem Kolben­ arbeitsspiel so sicher erfolgt, daß eine akzeptable Lauf­ ruhe gegeben ist bzw. daß aufgrund unzureichender Verbren­ nung die Abgasemission wieder ansteigt. Aufgrund des erfor­ derlichen Abstandes zu dieser Laufgrenze kann das Poten­ tial dieser beiden Konzepte nicht voll genutzt werden.

Ansätze zur Erkennung der Laufruhe sind angegeben in DE- A-29 06 782 für eine Magerregelung mittels Drehungleich­ förmigkeitsensors, in DE-A-33 15 048 mittels Körperschall­ sensoren, in DE-A-33 14 225 über eine Abgasvolumenstrom­ messung sowie ferner in anderen Vorveröffentlichungen. Die Erkennung der "Laufgenze" unter Ausnutzung der Drehun­ gleichförmigkeit läßt sich prinzipiell bei Motoren anwenden, die sich auf dem Prüfstand befinden. Sie versagt jedoch in Fahrzeugen, da über den Antriebsstrang Straßenuneben­ heiten eingekoppelt werden, die zu Fehlinterpretationen führen.

Die Erkennung der "Laufgrenze" über Körperschallsensoren ist in der Praxis ebenfalls kaum einsetzbar. Neben der möglichen Einkoppelung von Straßenunebenheiten liegt auch ansonsten eine Fülle von störenden Sig­ nalen vor, die insbesondere aufgrund des relativ kleinen zu erfassenden Nutzsignals durch ein extrem schlechtes Signal-Rausch-Verhältnis zu Fehlinterpretationsproblemen führen.

Eine Analyse über den Abgasvolumenstrom ist relativ auf­ wendig durchzuführen und somit schon aus Kostengründen nicht bei Serienfahrzeugen einzuführen.

Die Verwendung von Brennraumdrucksensoren für eine Erken­ nung der Laufgrenze wurde bisher intensiv in der Entwick­ lung zur Abstimmung von Motoren eingesetzt. Die Abstimmung erfolgt jeweils so, daß ein deutlicher Abstand zur Mager­ laufgrenze eingehalten wird. Mit der Verfügbarkeit von einigermaßen preiswerten doch recht genauen Brennraumdruck­ sensoren ist diese Methode inzwischen über die Magerrege­ lung auch bei Serienfahrzeugen eingesetzt worden. Hinweis hierüber finden sich in den Veröffentlichungen SAE 930882 und 930351 des SAE-Kongresses 1993, Detroit. Bei dem hier vorgeschlagenen Verfahren wird aus dem Brennraumdruck eine Abschätzung über das wirksame Drehmoment abgeleitet. Hierzu werden die Druckwerte zu bestimmten Positionen der Kurbelwelle aufgenommen und hieraus eine Abschätzung der inneren Arbeit abgeleitet. Dieses Verfahren lehnt sich an das am Prüfstand praktizierte Verfahren zur Ab­ stimmung von Motoren an, bei dem der sogenannte indizierte Mitteldruck, d. h. das Umlaufintegral des Druckes über das Zylindervolumen bestimmt wird. Aus dieser inneren Arbeit bzw. dem abgeschätzten eingeleiteten Moment wird über statistische Methoden ein Maß für die Laufruhe abgelei­ tet. Bei diesem Verfahren ist allerdings zwingend die Kenntnis des Kurbelwellenstandes erforderlich, da sich hieraus erst das aktuelle Volumen des Brennraums anhand der jeweiligen Konstruktionsdaten des betreffenden Motors ableiten läßt. Aus diesem Grund wird in der serienmäßigen Ausführung der Laufgrenzenerkennung nach dieser Methode das Signal des Brennraumdruckgebers einer Verarbeitungsschal­ tung zugeführt, die als weiteres Eingangssignal eine Infor­ mation über den Stand der Kurbelwelle von einem Kurbelwinkel­ markensensor bekommt. Die Verarbeitungsschaltung ist sensor­ fern in der Motorsteuerungselektronik integriert, da dort auch die Kurbelwinkelmarkengebersignale zur Verfügung stehen. Hierdurch ergibt sich jedoch die Notwendigkeit, bei jedem Hersteller eigens einen Algorithmus in die Motor­ elektronik zu implementieren, die die entsprechende Auswer­ tung vornimmt. Realisiert man diese Erkennung softwaremäßig in einen bereits vorhandenen Prozessor der Motorsteuerungs­ elektronik, so kann diese Software-Aufgabe nur mit einem hohen Aufwand in bereits bestehende Motorsteuerungssoftware integriert werden. Möchte man dies vermeiden, so ist man gezwungen, einen zweiten Prozessor einzusetzen, der jedoch dann ein Redesign der kompletten Motorelektronik-Hardware erfordert.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erkennung der Laufgrenze zu schaffen, das eine Regelung auf diese Laufgrenze ermöglicht, die ein deutliches Über­ schreiten dieser Grenze, beispielsweise durch sich ändernde Umgebungsbedingungen verhindert und die darüber hinaus so kostengünstig ist, daß der Einsatz in Serienfahrzeugen möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einem Verfah­ ren zur Steuerung eines Kolbenverbrennungsmotors unter Einhaltung der Laufgrenze, bei dem eine durch die Umsetzung des Kraftstoffs in Energie und/oder Abgas beeinflußbare Meßgröße in wenigstens einem Zylinder über wenigstens ein Arbeitsspiel erfaßt und die erfaßte und gespeicherte Meßgröße wenigstens eines mit Zeitabstand voraufgegangenen Arbeitsspiels in Beziehung gesetzt und aus einer sich etwa ergebenden Abweichung ein Meß- und/oder Stellsignal erzeugt wird, daß der Motorregelung eingegeben wird. Dieses Verfahren verzichtet auf die Erfassung der Kurbelwellen­ stellung und zieht nur die erfaßte beeinflußbare Meßgröße zur Bestimmung der Laufgrenze heran. Sensoren für die durch die Umsetzung des Kraftstoffs in Energie und/oder Abgas beeinflußbaren Meßgröße (Druckverlauf je Arbeitsspiel, Lichtintensität des Verbrennungsvorganges je Arbeitsspiel, Ionenstrommessung je Arbeitsspiel) stehen zur Verfügung, so daß über diese Sensoren bereits ein Signal zur Verfügung steht, das schon gleich den aktuellen Umsetzungsstand des Kraftstoffs in Energie und/oder Abgas im Zylinder repräsentiert und eine Erfassung und eine hieraus abgeleite­ te Signalbildung ermöglicht ohne zusätzlich auf einen Kurbelwinkelmarkengeber zurückgreifen zu müssen oder aber bei bestehenden Systemen anzapfen zu müssen. Durch einen Vergleich der in einem oder mehreren voraufgegangenen Arbeitsspielen erfaßten beeinflußbaren Meßgröße und sich daraus ergebenden Abweichungen ergibt sich eine Aussage, ob die vorgegebene Laufgrenze und damit die gewünschte Laufruhe des Motors durch den augenblicklichen Regelzu­ stand eingehalten wird. Damit kann die Motorreglung ohne Verlust an Laufruhe sehr viel dichter an die Laufgrenze herangeführt werden, ohne daß diese hierbei überschritten wird. Besonders vorteilhaft ist es hierbei, daß nicht alle Zylinder eines Motors überwacht werden müssen, sondern daß die Erfassung der beeinflußbaren Meßgröße an einem Zylinder ausreicht. Vorteilhaft ist es hierbei, wenn bei einem gegebenen Motor der Zylinder ausgewählt wird, der am ehesten die Laufgrenze erreicht, was beispielsweise aufgrund konstruktiv bedingten Ungleichverteilungen im Saugrohr der Fall sein kann. Sollten jedoch alle Zylinder bezüglich der Laufgrenze praktisch sich identisch verhalten, so kann man durch eine gezielte "Verstimmung" des Systems dafür sorgen, daß ein vorgegebener Zylinder immer als erster an die Laufgrenze gerät. Im Falle der Magerregelung kann dies beispielsweise dadurch erfolgen, daß man bei einem Zylinder grundsätzlich eine kleinere Menge einspritzt als bei der anderen Zylindern. Dadurch, daß nun dieser Zylinder im Betrieb als erster an die Laufgrenze gerät, kann man bei einer Laufgrenzenregelung auf diesen Zylinder sicher sein, daß alle anderen Zylinder noch über eine ausreichende Laufruhe verfügen und somit die Gesamtlauf­ ruhe und die Gesamtemissionswerte verläßlich in den gefor­ derten Grenzen gehalten werden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß die durch die Kraftstoffum­ setzung beeinflußbare Meßgröße durch den Druckverlauf des Arbeitsspiels gebildet wird. Gerade die Erfassung des Druckverlaufs im Brennraum als der durch die Umsetzung des Kraftstoffes beeinflußbaren Meßgröße ist aufgrund ihrer Aussagekraft und ihres günstigen Signal-Rausch- Verhältnisses besonders geeignet, ohne die Verwendung eines Kurbelwinkelmerkengebersignals ein Maß für die Lauf­ ruhe zu extrahieren bzw. die Laufgrenze zu bestimmen.

In einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens ist vorgesehen, daß die durch die Kraftstoffumset­ zung in Energie und/oder Abgas beeinflußbare Meßgröße durch die Lichtintensität des Verbrennungsvorganges gebil­ det wird. Über die Erfassung der Lichtintensität je Ar­ beitsspiel kann man besonders gut erkennen, zu welchem Zeitpunkt die Verbrennung einsetzt und zu welchem Zeitpunkt die Verbrennung im beobachteten Brennraumteil beendet ist. Auch dieses Lichtsignal bzw. die Lichtintensität kann nun durch Vergleiche mit im Zeitabstand vorher erfaß­ ten Signalen voraufgegangener Arbeitsspiele in Beziehung gesetzt werden und hieraus ein entsprechendes Stellsignal abgeleitet werden.

In einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens ist vorgesehen, daß die durch die Kraftstoffumset­ zung in Energie und/oder Abgas beeinflußbare Meßgröße durch einen sich während des Verbrennungsvorganges ändern­ den Ionenstrom gemessen wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des er­ findungsgemäßen Verfahrens insbesondere in bezug auf die Auswertung der erfaßten beeinflußbaren Meßgröße sind in den Ansprüchen 5 bis 16 angegeben.

Zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist gemäß der Erfindung ferner vorgesehen eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens an einem Kolbenverbrennungs­ motor, bei der wenigstens ein Zylinder mit einem Sensor zum Erfassen einer durch die Umsetzung des Kraftstoffs in Energie beeinflußbaren Meßgröße in Abhängigkeit von der Zeit verbunden ist, der mit einem Merkmalbildner zur Bildung eines aus der erfaßten beeinflußbaren Meßgröße abgeleiteten Merkmalsignals verbunden ist, dessen Signal­ ausgang mit einer Auswerteeinheit verbunden ist. Der Vor­ teil dieser Einrichtung besteht darin, daß diese Einrich­ tung ohne Eingriff in Software und Hardware einer bereits vorhandene Motorsteuerungselektronik aufgeschaltet werden kann.

Weitere erfindungsgemäße und vorteilhafte Ausgestaltungen der Einrichtung sind durch die Merkmale der Ansprüche 18 bis 22 angegeben.

Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Abhängigkeit der Laufruhe und der Emission vom Luftverhältnis Lambda,

Fig. 2 das Verfahren anhand eines Blockschalt­ bildes,

Fig. 3 unterschiedliche Druckverläufe in einer Überlagerung,

Fig. 3a zwei unterschiedliche Druckverläufe in zeitlicher Aufeinanderfolge,

Fig. 4 eine Auswerteschaltung,

Fig. 5 den Verlauf des Ausgangssignals der Schaltung gem. Fig. 4 für unterschied­ liche Betriebszustände,

Fig. 6 die Verknüpfung der Schaltung mit einem Verbrennungsmotor in Form eines Blockschaltbildes,

Fig. 7 die Auswertung von Lichtsignalen als durch die Kraftstoffumsetzung beeinflußbare Meßgröße,

Fig. 8 die Erfassung der durch die Kraftstoff­ umsetzung beeinflußbaren Meßgröße über eine Ionenstrommessung,

Fig. 9 den Verlauf des Ionenstroms in Abhängig­ keit von der Zeit während eines Arbeitsspiels,

Fig. 10 im Vergleich zu Fig. 9 den Verlauf des Zylinderdrucks während eines Arbeitspiels.

In Fig. 1 ist in Abhängigkeit von der Luftverhältniszahl Lambda der Verlauf der Emissionen (Kurve 1) sowie die Veränderung der Laufruhe (Kurve 2) dargestellt. Wie die Kurve 1 erkennen läßt, sinken mit zunehmender Abmagerung bzw. mit zunehmender Abgasrückführung und der damit ver­ bundenen Erhöhung der Luftverhältniszahl die in Kurve 1 dargestellten Emissionen auf ein Minimum. Nach Erreichen eines Minimums steigen die Emissionen stark an.

Im Vergleich hierzu bleibt die durch die Kurve 2 wieder­ gegebene Laufunruhe über weite Bereiche konstant, bis sie im Bereich des Emissionsminimum ansteigt. Damit ist die sogenannte Laufgrenze 3 festgelegt als Grenze für die Abgasrückführrate bzw. die Abmagerung, jenseits der die Zündung des Gemisches nicht mehr in jedem Motorarbeits­ spiel so sicher erfolgt, so daß das Maß der akzeptablen Lauf­ unruhe überschritten wird. Die Laufgrenze 3 trennt somit den Bereich A der "Laufruhe" von dem Bereich B der "Laufunruhe".

Anhand des Blockschaltbildes gem. Fig. 2 wird das Verfahren näher erläutert. Ein Sensor 4, über den eine durch Umsetzung des Kraftstoffs in Energie und/oder Abgas beeinflußbare Meßgröße (Druck, Licht, Ionenstrom) in Abhängigkeit von der Zeit erfaßt wird, liefert ein Verlaufsignal an eine Vorrichtung 5 zur Merkmalsbildung. Aus dem Verlaufsignal wird mindestens ein Merkmal extrahiert, das in einer nach­ folgenden Verarbeitungsstufe 6 mit einem oder mehreren Merkmalen aus den Verlaufsignalen vergangener Arbeits­ spiele oder mindestens eines vergangenen Arbeitsspiels in Bezug gesetzt wird. Diese "In-Beziehungs-Setzung" kann hierbei aus einem einfachen Vergleich, einer Differenzbil­ dung oder aber einer statistischen Auswertung bestehen. Dieses In-Beziehung-Setzen kann aber auch durch Bildung einer Kreuzkorrelationsfunktion des Verlaufsignals mit demselben, jedoch zeitverschobenen Signalverlauf gebildet werden. Aus dieser Kreuzkorrelationsfunktion werden nun wiederum Merkmale gebildet, die miteinander verglichen werden können. Ein besonders gut geeignetes Merkmal ist das jeweilige Maximum der Kreuzkorrelationsfunktion, das ein Maß für die Geschwindigkeit zweier aufeinanderfolgender Arbeitsspiele darstellt. Durch Vergleich, Differenzbildung oder aber statistische Auswertung eben dieser Maxima (allge­ mein der extrahierten Merkmale) erhält man nun eine Aus­ sage über die statistischen Schwankungen des Verbrennungs­ prozesses über die durch die Umsetzung des Kraftstoffs beeinflußbaren Meßgröße und somit über die Laufruhe bzw. Laufunruhe des Motors.

Anhand von Fig. 3 wird dies über die Erfassung des Druck­ verlaufs als der durch die Umsetzung des Kraftstoffs in Energie und/oder Abgas beeinflußbaren Meßgröße näher er­ läutert. In Fig. 3 sind in einer Überlagerung mehrere Druckverlaufssignale 7, 8, 9 und 10 in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel dargestellt. Bei der Auswahl des Druckverlaufs wird die "Breite" der Druckverlaufskurve bei einem vorgege­ benen Druck als die zu erfassende Meßgröße bestimmt. Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ergibt sich für die Druckverlaufskurve 7 bei dem angegebenen Schwellenwert von 7 Bar die angegebene Breite a. Bei einer darauffolgenden Messung unter geänderten Betriebsbedingungen, beispielsweise einer erhöhten Abmagerung, ergibt sich die Druckverlaufskurve 8 mit deutlich geringerem Spitzen­ druck. Gleichwohl ist die hier erfaßte "Breite" des Druck­ verlaufs unverändert, so daß die Zündung des Gemisches immer noch sicher erfolgt ist und dementsprechend keine Veränderung der Laufruhe gegeben ist.

Wird nun, wie aus den Druckverlaufskurven 9 und 10 ersicht­ lich, bei weiterer Verstärkung der Abmagerung der Druck weiter abgesenkt, so ergibt sich eine deutliche Reduzie­ rung der "Breite" der Druckverlaufskurve auf das Maß b bzw. c. Der Vergleich zwischen dem Druckverlauf 9 und dem Druckverlauf 10 zeigt, daß bei gleichem Maximaldruck der Verbrennungsvorgang unterschiedlich ist, so daß hieraus schon geschlossen werden kann, daß die Laufruhe zwischen diesen beiden Arbeitsspielen schon zu erheblichen Abwei­ chungen führt.

Je nach der Charakteristik des Motors kann nun durch die Auswahl der Schwellenwerte des System empfindlicher gestal­ tet werden. Wie Fig. 3 erkennen läßt, führt eine Absenkung des Schwellenwertes von 7 auf 5 Bar bereits zu einer deut­ lichen Spreizung und damit zu einer Erhöhung der Diffe­ renzen zwischen den relevanten "Breiten" a, b und c.

In Fig. 3a ist der anhand von Fig. 3 beschriebene Vorgang, jedoch in umgekehrter Reihenfolge für einen Schwellenwert von 5 Bar in der zeitlichen Aufeinanderfolge dargestellt.

In einer bevorzugten Realisierung wird der Drucksignalver­ lauf zunächst mit einem Schwellenwert verglichen und steht somit am Ausgang des Vergleichs als Rechtecksignal zur Verfügung. Statt nun die Breite der Rechteckimpulse auszu­ werten, was nach dem vorgeschlagenen Verfahren natürlich auch möglich ist, bietet sich besonders vorteilhaft die Messung des Impuls-Pausen-Verhältnisses, d. h. das Tastver­ hältnis dieser Rechteckfolge zur weiteren Auswertung an. Hierdurch erreicht man eine Verbesserung der Unempfindlich­ keit gegen schnelle Drehzahlschwankungen. Das Impuls- Pausen-Verhältnis kann nun wiederum mit Methoden des zeit­ lichen Vergleichs oder der Differenzbildung oder aber mit statistischen Methoden mit den vorangegangenen Meß­ werten für das Tastverhältnis verglichen werden. Diese Operation des zeitlichen In-Beziehung-Setzens wird in der Auswertestufe 6 vorgenommen.

Als besonders geeignet für den Auswertealgorithmus in der Auswertestufe 6 hat sich die Verwendung der Standard­ abweichung herausgestellt. Diese Standardabweichung kann beispielsweise über eine Anzahl der letzten n-Zyklen ge­ bildet werden, wobei sich für n der Wert 10 als besonders günstig herausgestellt hat, da dieser einen optimalen Kompromiß zwischen Reaktionsgeschwindigkeit und Unempfind­ lichkeit gegenüber Störeinflüssen darstellt. Als Nachbe­ handlung der Standardabweichung in der Auswertestufe 6 kann vorteilhafterweise diese Standardabweichung normiert werden, um einen Einfluß des jeweiligen Lastpunktes des Verbrennungsmotors zu reduzieren. Für die Normierung kann besonders vorteilhaft der Mittelwert des Signals verwendet werden. Die Bildung des Mittelwertes kann ent­ weder aus dem extrahierten Merkmal selber ("Breite" des Druckverlaufssignals, Lichtmessung, Ionenstrom) oder aus dem tatsächlichen Mittelwert der erfaßten Meßgröße, bei­ spielsweise des Druckverlaufsignals, erfolgen. Der Zeit­ raum für die Bildung des Mittelwertes kann entweder an den Zeitraum für die Bildung der Standardabweichung ge­ koppelt oder nach anderen Kriterien frei gewählt werden. Hierbei wird ebenfalls der beste Kompromiß für die jewei­ lige Anwendung ermittelt. Für Anwendungen mit großer Dyna­ mik wird man den Zeitraum relativ klein wählen, wohingegen bei der Anwendung für beispielsweise stationäre Motoren der Zeitraum für die Mittelwertbildung recht groß gewählt werden kann. Für praktisch eingesetzte Serienmotoren hat sich eine Anzahl von ebenfalls ca. 10 Zyklen als normaler­ weise günstig herausgestellt.

Zur Bildung von Standardabweichung und Mittelwert kann das Meßfenster entweder mit einer konstanten Anzahl von Zyklen (Impulsen) gebildet werden oder aber mit konstanter Zeitdauer.

Der anhand von Fig. 3 beschriebene Schwellenwert besitzt für die unterschiedlichen Lastpunkte unterschiedliche optimale Einstellungen. Aufgrund dessen ist es sehr zweck­ mäßig, diesen Schwellenwert automatisch ermitteln zu las­ sen. Eine Möglichkeit der Schwellenwertermittlung stellt die Verwendung des Wertes des vorherigen Impuls-Pausen- Verhältnisses dar, der Aufschluß darüber gibt, in welche "relativen Höhe" der erfaßten Meßgröße, beispielsweise des Brennraumdrucks, man sich mit dem Schwellenwert befin­ det. Eine andere Möglichkeit den Schwellenwert zu ermitteln und nachzuführen stellt die Auswertung des Maximum oder auch des Mittelwertes der erfaßten Meßgröße, beispielsweise des Drucks dar. Jedoch ist auch die Ermittlung des Schwellen­ wertes nicht auf diese Merkmale beschränkt sondern es lassen sich auch vielmehr weitere Merkmale und Methoden finden, die ebenfalls eine automatische Anpassung des Schwellenwertes ermöglichen, beispielsweise in Form einer Regelung auf ein konstantes Tastverhältnis.

Die komplette Laufruheerkennungsschaltung (bestehend aus dem Merkmalbildner 5 und der Auswertestufe 6) sowie auch einzelne Teile dieser Auswerteeinheit können entweder analog, digital oder aber als Mikroprozessorschaltung aufgebaut werden.

Anhand von Fig. 4 wird ein Ausführungsbeispiel beschrieben, über das das nach dem Impuls-Pausen-Verhältnis arbeitende Verfahren in analoger Form ausgeführt werden kann. Das vom Sensor 4 erfaßte Meßgrößensignal 7 wird zunächst auf einen Komparator 8 geleitet und mit dem über den Integra­ tor 9 gebildeten Mittelwert 10 verglichen. Am Ausgang des Komparators 8 steht dann das vor stehend beschriebene Rechtecksignal 11 zur Verfügung. In der nachfolgenden Stufe wird zur Ermittlung des Impuls-Pausen-Verhältnisses das Signal in einem Integrator 12 auf summiert. Dabei wird der Integrator 12 zu Beginn eines jeweiligen Zyklus auf "0" zurückgesetzt. Am Ende des jeweiligen Zyklus wird der Wert des Integrators 12 in einer Sample-and-Holdschal­ tung 13 übernommen. Das Rücksetzen des Integrators 12 und die Übernahmesteuerung des Sample-and-Hold wird über einen Flankendetektor 14 gesteuert, der die vom Komparator­ ausgang einlaufenden Signale auswertet.

Am Ausgang 14 der Sample-and-Holdschaltung 13 liegt nun ein Wert vor, der das Tastverhältnis des Signals repräsen­ tiert. Dieses Signal wird nun zum einen einem Mittelwert­ bildner 15, hier auch als Integrator bezeichnet, zugeführt, der dafür zuständig ist, das mittlere Tastverhältnis zu bilden. Dieser entstehende Mittelwert 16 wird nun mit dem jeweils einlaufenden Signal 14 durch einen Differenz­ bildner 17 verglichen. Das am Differenzbildner entstehende Ausgangssignal durchläuft einen Betragsbildner 18 und kann dann entweder unmittelbar ausgegeben werden oder durchläuft noch eine Kurzzeitintegrationsstufe 19, die noch eine gewisse Glättung des Ausgangssignals vornimmt.

Zur Verdeutlichung der Arbeitsweise der gesamten Schaltung: sei zunächst einmal angenommen, daß der Motor sehr ruhig läuft und damit die erfaßte Meßgröße, beispielsweise der Brennraumdruck, in einem Zyklus praktisch gleich ist wie derjenige im jeweils nächsten Zyklus. Dann ergibt sich am Ausgang des Komparators 8 eine Rechteckimpulsfolge mit konstantem Impuls-Pausen-Verhältnis. Dieses führt am Ausgang des Integrators 12 bzw. der Sample-and-Hold­ schaltung 13 zu einem konstanten Signal. Dieses konstante Signal wird zum einen in dem Mittelwertbildner (Kurzzeit­ integrator 15) gemittelt und mit dem jeweils aktuellen Signal 13.1 verglichen. Da jedoch das aktuelle Signal prak­ tisch immer dem Mittelwert entspricht, entsteht am Ausgang des Differenzbildners 17 ein 0-Signal.

Als nächstes sei angenommen, daß aus diesem Betriebszustand heraus der Motor in einen Betriebszustand gebracht wird, bei dem er an der Laufgrenze betrieben wird. Aufgrund der zyklischen Schwankung der erfaßten Meßgröße, beispiels­ weise des Druckverlaufssignals, wird nun die Ausgangsimpuls­ folge des Komparators 8 unterschiedliche Tastverhältnisses aufweisen. Dies führt dazu, daß am Ausgang der Sample-and- Holdstufe 13 sich ständig ändernde Werte vorliegen. Werden diese nun mit ihrem eigenen Mittelwert 16 verglichen, so ergibt sich mal eine positive, mal eine negative Diffe­ renz. Durch den hinter dem Differenzbildner 17 eingefügten Betragsbildner 18 werden alle Differenzen in positive Werte umgewandelt. Hinter dem Kurzzeitintegrator 19, der auf den Betragsbildner folgt, steht nun ein Signal zur Verfügung, das umso größer wird, je unregelmäßiger sich Brennraumdruckverläufe verhalten. Somit stellt dieses Signal ein Maß für die Laufruhe bzw. die Laufunruhe des Motors dar.

Die in Fig. 5 wiedergegebene Darstellung zeigt ein Aus­ gangssignal einer digital aufgebauten Auswerteschaltung als Standardabweichung aus dem Tastverhältnis von jeweils zehn aufeinanderfolgenden Zyklen des Motors. Hierbei zeigt der Kurvenverlauf 20.1 den zuletzt beschriebenen Fall einer großen Laufunruhe, während der Kurvenverlauf 20.2 einen mittleren Betriebszustand mit Laufunruhe und der Kurvenverlauf 20.3 einen Betriebszustand mit kleiner Laufunruhe, d. h. eine gute Laufruhe wiedergeben. Man erkennt deutlich die starke Abhängigkeit des Signals von der Laufunruhe des Motors. Auch erkennt man, daß auch bei einem prinzipiell konstanten Arbeitspunkt des Motors eine kurzzeitige Veränderung der Laufruhe zu einem sich recht kurzfristig (und stark) ändernden Ausgangssignal führt, wie dies an der Signalkurve 20.1 erkennbar ist. Innerhalb von etwa zwanzig Arbeitsspielen ist die Regelung so nachgeführt worden, daß eine geringe Laufunruhe, d. h. eine große Laufruhe erzielt wurde.

In Fig. 6 ist eine Laufruheregelung als Blockschaltbild dargestellt. An einem Motor 21 mit Abgasrückführung ist ein Sensor 22 mit einer integrierten Laufruheerkennungs­ schaltung der vorstehend beschriebenen Art angeschlossen. Das aus der Laufruheerkennungsschaltung des Sensors 22 abgegebene Laufunruhesignal 20 wird auf die Motorelektro­ nik 23 aufgeschaltet, wo es beispielsweise einem PID-Regler 24 zugeführt wird.

Zunächst wird ein bestimmter Abgasrückführungswert durch eine kennfeldmäßig arbeitende Vorsteuerung an das Abgas­ rückführungsventil 25 gegeben. Wird nun die Laufgrenze erreicht, sorgt der PID-Regler dafür, daß das Abgasrück­ führungssignal solange verändert wird, bis sich der ge­ wünschte Wert für die Laufruhe eingestellt hat (vgl. Kur­ venverlauf 20.2 in Fig. 5).

Anstelle des vorstehend beschriebenen Verfahrens durch Auswertung des Druckverlaufs als eine durch die Umsetzung des Kraftstoffs in Energie und/oder Abgas beeinflußbare Meßgröße kann nun nach dem Verfahren auch mit einer Aus­ wertung von Lichtsignalen gearbeitet werden, die aus dem Brennraum gewonnen werden. Hierzu wird ein optischer Zugang zum Brennraum geschaffen, der beispielsweise in Form einer modifizierten Zündkerze erfolgen kann. Das Lichtsignal wird über einen entsprechenden Sensor, beispielsweise eine Photodiode, einen Phototransistor, einen Photomulti­ plier oder ähnlichem, zunächst in ein elektrisches Signal umgewandelt. Das sich hieraus ergebende elektrische Signal ist in Fig. 7 durch das Diagramm 26 wiedergegeben, das hier zeitgleich mit dem Diagramm 27 des zugehörigen Druck­ verlaufs des Brennraumdrucks dargestellt ist. Am Licht­ signal kann man besonders gut erkennen, an welchem Zeit­ punkt die Verbrennung einsetzt und zu welchem Zeitpunkt die Verbrennung im beobachteten Brennraumteil beendet ist.

Das so aus der Meßgröße "Licht" gewonnene Meßsignal kann nun, wie anhand von Fig. 4 und 6 beschrieben, entsprechend der gewünschten Merkmale ausgewertet werden. Im Diagramm 26 ist beispielsweise die Signalbreite "b" für eine vorge­ gebene Lichtintensitätsschwelle dargestellt. Die weitere Verarbeitung erfolgt dann, wie anhand von Fig. 4 für die "Breite" des Drucksignals beschrieben. Wie bei der Verar­ beitung des Drucksignals ist man auch bei der Verarbei­ tung des Lichtsignals nicht auf die Auswertung der "Breite" oder des Tastverhältnisses beschränkt, sondern vielmehr können auch andere Merkmale des Lichtsignals der nachfol­ genden statistischen Auswertung unterzogen werden.

In Fig. 8 ist die Anwendung des Verfahrens auf die Auswer­ tung des Ionenstroms als weitere Möglichkeit der Erfassung einer durch die Umsetzung des Kraftstoffs in Energie und/ oder Abgas beeinflußten Meßgröße dargestellt. Im Brennraum 28 eines Zylinders eines Hubkolbenverbrennungsmotors sind zwei Meßelektroden 29 (oder eine Meßelektrode bei unipolarer Ausführung) angeordnet, die mit einer Gleichspannungsquelle 30 verbunden sind. Im Normalfall erfolgt nun kein Strom­ fluß zwischen den beiden Meßelektroden 29, sofern man von kleinen Leckströmen absieht. Werden nun im Verlaufe des Arbeitsspiels die Elektroden 29 von der hier schema­ tisch dargestellten Flammenfront 31 erfaßt, so liegt im Bereich der Elektroden 29 ein ionisierbares Gas vor, so daß ein Ionenstrom zwischen den beiden Polen der Meßelektro­ den 29 fließt. Dieser Ionenstrom kann nun gemessen werden. Anstelle der Messung des Ionenstromes kann auch die Ände­ rung der anliegenden Gleichspannung gemessen werden, die sich an den Elektroden beim Einsetzen des Ionenstromflusses ergibt.

Als besonders gut geeigneter Spannungsbereich hat sich eine Gleichspannungsversorgung herausgestellt, die in einem Spannungsbereich zwischen 50 und 100 Volt arbeitet. Grundsätzlich funktioniert das Verfahren auch bei anderen Spannungen.

In Fig. 9 ist schematisch der sich einstellende Ionenstrom bzw. die sich einstellende Sondenspannung über der Zeit dargestellt. Der Kurvenverlauf 32 gibt den Verlauf der Spannung wieder, wenn keine Zündung erfolgt. Der Kurvenver­ lauf 33 zeigt den Verlauf der Sondenspannung, wenn eine Zündung in dem betreffenden Zylinder erfolgt. Diese Gegen­ überstellung zeigt, daß auch hier wieder eine Auswertung des Ionenstromsignals in der vorher beschriebenen Weise vorgenommen werden kann. Besonders günstig gestaltet sich die Anwendung der Ionenstrommessung im Brennraum dann, wenn man den Ionenstrom über die schon vorhandenen Elek­ troden der Zündkerze im Brennraum mißt. Solche Ionenstrom­ meßverfahren über die Zündkerzen sind grundsätzlich bekannt und wurden bereits für die Erkennung von Verbrennungsaus­ setzern vorgeschlagen.

In Fig. 10 ist im Vergleich zu Fig. 9 der Druckverlauf in einem Zylinder dargestellt. Der Kurvenverlauf 34 zeigt hierbei den Verlauf des Brennraumdruckes bei einem Arbeits­ spiel ohne Zündung, während der Kurvenverlauf 35 den Ver­ lauf des Brennraumdruckes mit Zündung wiedergibt.

Das Verfahren ist nicht nur für Hubkolbenmotoren sondern für alle Motoren mit periodischer Kraftstoffumsetzung anzuwenden, so auch beispielsweise für Drehkolbenmotoren.

Claims (23)

1. Verfahren zur Steuerung eines Kolbenverbrennungsmotors unter Einhaltung der Laufgrenze, bei dem eine durch die Umsetzung des Kraftstoffs in Energie und/oder Abgas beein­ flußbare Meßgröße in wenigstens einem Zylinder über wenig­ stens ein Arbeitsspiel erfaßt und mit der erfaßten und gespeicherten Meßgröße wenigstens eines voraufgegangenen Arbeitsspiels in Beziehung gesetzt und aus einer sich etwa ergebenden Abweichung ein Meß- und/oder Stellsignal erzeugt wird, das der Motorregelung eingegeben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Kraftstoffumsetzung beeinflußbare Meß­ größe durch den Druckverlauf je Arbeitsspiel gebildet wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Kraftstoffumsetzung beeinflußbare Meßgröße durch die Lichtintensität des Ver­ brennungsvorgangs gebildet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Kraftstoffumsetzung beeinflußbare Meßgröße durch den sich während des Verbren­ nungsvorganges ändernden Ionenstrom gebildet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßgrößen der erfaßte Arbeits­ spiele durch Vergleich in Beziehung gesetzt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßgrößen der erfaßten Arbeits­ spiele durch Differenzbildung in Beziehung gesetzt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßgrößen der erfaßten Arbeits­ spiele durch statistische Auswertung in Beziehung gesetzt werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kreuzkorrelationsfunktion einer erfaßten beeinflußbaren Meßgröße mit derselben jedoch zeitverschobenen beeinflußbaren Meßgröße gebildet wird und aus dieser Kreuzkorrelationsfunktion miteinander in Beziehung zu setzende Merkmale abgeleitet werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das jeweilige Maximum der Kreuzkorre­ lationsfunktion das Merkmal bildet.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Auswertungsmerkmal für das In- Beziehung-Setzen die Änderung der erfaßbaren Meßgröße, insbesondere des Druckverlaufs in Abhängigkeit von der Zeit erfaßt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Vergleichsmerkmal der zeitliche Abstand erfaßt wird, in dem ein vorgegebener Schwellenwert für die erfaßte beeinflußbare Meßgröße, insbesondere der Brennraumdruck zwischen Druckanstieg und Druckabfall durch­ laufen wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Vergleichs- und Auswertungsmerkmal das Impuls-Pausen-Verhältnis zwischen aufeinanderfolgendes Durchlaufen des Schwellwerts, das ist die zeitliche Aufein­ anderfolge der Rechteckimpulse, erfaßt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertung durch Bildung einer Standardabweichung über die Erfassung jeweils eine Folge von einer vorgegebenen Zahl, vorzugsweise 10 aufeinander­ folgender Arbeitszyklen erfolgt.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Standardabweichung durch Mittelwertbildung normiert wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der Standardabweichung und/oder des Mittelwertes jeweils eine konstante Zahl von Arbeitszyklen oder jeweils eine konstante Zeitdauer vorgegeben wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Erfassung des Druckverlaufs als beeinflußbarer Meßgröße der Schwellwert in Abhängigkeit vom erfaßten Maximaldruck und/oder von dem daraus abgelei­ teten Mitteldruck eines oder einer Folge von Arbeitsspielen verändert wird.

17. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwell­ wert durch Einregelung auf ein konstantes Tastverhältnis nachgeführt wird.

18. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 17, an einem Hubkolbenverbrennungsmotor (21), bei der wenigstens ein Zylinder mit einem Sensor (4) zum Erfassen einer durch die Umsetzung des Kraftstoffs in Energie und/oder Abgas beeinflußbaren Meßgröße in Abhän­ gigkeit von der Zeit verbunden ist, der mit einem Merkmal­ bildner (5) zur Bildung eines aus der beeinflußbaren Meß­ größe abgeleiteten Merkmalssignals verbunden ist, dessen Signalausgang mit einer Auswerteeinheit (6) verbunden ist.

19. Einrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Merkmalbildner (5) zur Mittelwertbildung einen Komparator (B) und einen Integrator (9) aufweist, deren Signaleingang jeweils mit dem Sensor (4) verbunden ist und bei dem der Signalausgang (10) des Integrators (9) auf den Komparator (8) aufgeschaltet ist und wobei am Signalausgang des Komparators (8) das der Auswerteeinheit (6) zuzuleitende Merkmalssignal (11) vorzugsweise in Form eines Rechtecksignals ansteht.

20. Einrichtung nach Anspruch 18 oder 19, bei der zur Bildung eines Impuls-Pausen-Verhältnisses aus dem Merk­ malssignal (11) der Signalausgang des Komparators (8) mit einem Integrator (12) einerseits und mit einem Flanken­ detektor (14) andererseits verbunden ist und wobei der Signalausgang des Integrators (12) mit einer Sample-and- Holdschaltung (13) verbunden ist, während der Signalaus­ gang des Flankendetektors (14) mit dem Integrator (12) einerseits und der Sample-and-Holdschaltung (13) anderer­ seits verbunden ist und daß der Signalausgang (14) der Sample-and-Holdschaltung mit einer Signalausgabe verbunden ist.

21. Einrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalausgabe (14) einen Mittel­ wertbildner (15) und einen Differenzbildner (17) aufweist, die mit dem Signalausgang der Auswerteeinheit verbunden sind und bei dem der Signalausgang des Differenzbildners (17) mit einem Betragsbildner (18) verbunden ist, der das Stellsignal abgibt.

22. Einrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß dem Betragsbildner (18) ein Integrator (19), vorzugsweise ein Kurzzeitintegrator für das Stell­ signal nachgeschaltet ist.

23. Einrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalausgang (20) der Motor­ elektronik (22) zur Steuerung des Motorbetriebes aufge­ schaltet ist.