DE4443517A1 - Einrichtung zur Lasterfassung bei einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Einrichtung zur Lasterfassung bei einer Brennkraftmaschine

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Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung zur Lasterfas­ sung bei einer Brennkraftmaschine nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Es ist bekannt, daß zur Regelung einer Brennkraftmaschine eine Vielzahl von Informationen über den Motorbetrieb benö­ tigt werden. Diese Informationen werden mit Hilfe geeigneter Sensoren gewonnen. In Abhängigkeit von diesen Informationen sowie von abgespeicherten Kennfeldern werden die für den Betrieb der Brennkraftmaschine wichtigen Größen wie Zünd­ zeitpunkte, Einspritzzeiten und Abgasrückführraten ermit­ telt. Zum Auffinden der jeweils aktuell benötigten Informa­ tionen müssen die Last und die Drehzahl bekannt sein, da die meisten Kennfelder last- und drehzahlabhängig sind.
Als Lastsensoren werden üblicher Weise Luftmengenmesser, Luftmassenmesser, Drosselklappensensoren oder Saugrohr­ drucksensoren eingesetzt. Mit Hilfe dieser hochgenauen Sen­ soren wird vom Steuergerät der Brennkraftmaschine der Luft­ massenstrom ermittelt, der von den Zylindern angesaugt wird. Es läßt sich mit solchen Sensoren also lediglich der Luft­ massenstrom für alle Zylinder bestimmen, zylinderspezifische Aussagen sind nicht möglich.
Eine weitere Möglichkeit der Lasterfassung wird durch den Einsatz eines Brennraumdrucksensors in jedem Zylinder der Brennkraftmaschine gegeben. Der Brennraumdruck im Zylinder ist in der Kompressionsphase abhängig von der Gasmasse, die in diesem Arbeitstakt verdichtet und anschließend umgesetzt wird. Es wird daher beispielsweise in der DE-OS 35 27 856 vorgeschlagen, daß der Absolutdruck eines Zylinders zu einer vorgegebenen Kurbelwellenwinkelstellung als Eingangsgröße einer Berechnung der Lastgröße eingeht. Für diese Berechnung wird dabei die Zustandsgleichung für reale Gase ausgewertet.
In der DE-OS 40 01 362 wird im Zusammenhang mit einem Ver­ fahren zur Lasterfassung, bei dem das Ausgangssignal von Brennraumdrucksensoren ausgewertet wird, erkannt, daß auch die Temperatur der angesaugten Luftmasse eine wichtige Ein­ gangsgröße in die Gleichung zur Berechnung der Last dar­ stellt und daher ermittelt werden müßte. Es wird daher vor­ geschlagen, zusätzlich zum Lastsensor (Brennraumdrucksensor) noch einen Temperatursensor einzusetzen, der die Temperatur der angesaugten Luft mißt und dessen Meßwerte bei der exakten Lastermittlung zu berücksichtigen sind.
Sehr problematisch ist bei den aus dem Stand der Technik be­ kannten Verfahren die Erfassung des Absolutdruckes. Es wer­ den Absolutdrucksensoren benötigt, die unter den gegebenen Bedingungen für eine Brennkraftmaschine kaum oder nur mit sehr hohen Kosten zu realisieren sind, daher ist eine Last­ erfassung mittels Brennraumdrucksensoren kaum möglich.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Einrichtung mit den Merkmalen des An­ spruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß die Lastermitt­ lung aus den Ausgangssignalen wenigstens eines Brennraum­ drucksensors oder eines Brennraumdrucksensors je Zylinder kostengünstig und zuverlässig erfolgen kann. Ermöglicht wird dies, indem nicht der Absolutdruck im Brennraum ausgewertet wird, sondern nur Relativwerte, die aus dem Ausgangssignal des Drucksensors ermittelbar sind.
Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens werden durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen er­ zielt.
Es wird dabei in vorteilhafter Weise aus einer Druckdiffe­ renz, einem Druckintegral oder einer gewichteten Summe von Druckmeßwerten in der Kompressionsphase und gegebenenfalls auch in der Ansaugphase und der Expansionsphase die Last bzw. die der Brennkraftmaschine zugeführte Luftmasse oder Zylinderfüllung ermittelt. Der Druckverlauf wird dazu im genannten Arbeitsspiel oder Teilen davon erfaßt und aus­ gewertet. Werden nur Teilbereiche des Arbeitsspiels aus­ gewertet, so sind dennoch Aussagen über den genannten Druckverlauf und damit über die vom Motor umgesetzte oder geleistete Arbeit möglich. Dies bedeutet zusätzlich, daß sich Fehler wie Temperaturgang, Streuungen und Alterung des Nullpunktes sowie thermische Fehler durch die Verbrennung selbst nicht auf die Lastermittlung auswirken.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß Phasenverschiebun­ gen, die beispielsweise durch den dynamischen oberen Tot­ punkt-Fehler verursacht werden, die bei der Abtastung der Druckverläufe noch vorhanden sind, durch die Auswertung von Druckdifferenz und Druckintegral automatisch korrigiert wer­ den.
Bei der Lasterfassung mittels gewichteter Summenbildung kön­ nen in vorteilhafter Weise nicht relevante Meßwerte oder Meßbereiche ausgeblendet werden, indem die zugehörigen Ge­ wichtungsfaktoren zu Null gemacht werden.
Zeichnung
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei sind in Fig. 1 die für das Verständnis der Erfindung bedeutsamen Größen einer Brennkraftmaschine schematisch dargestellt, in Fig. 2 ist der Verlauf des Zylinderdruckes über dem Kurbel­ wellenwinkel aufgetragen.
Beschreibung des Ausführungsbeispieles
In Fig. 1 sind die zur Erläuterung der Erfindung wesentli­ chen Bestandteile einer Brennkraftmaschine schematisch dar­ gestellt. Dabei ist mit 10 ein Zylinder der Brennkraftma­ schine bezeichnet. Dem Zylinder 10 ist ein Drucksensor 11 zugeordnet, der den Brennraumdruck im Zylinder mißt und ei­ ner Auswerteeinrichtung, beispielsweise dem Steuergerät 12 ein Signal U(p) liefert, das als druckproportionaler Span­ nungsverlauf vorliegt.
Im Steuergerät 12 wird der Druck kurbelwellensynchron verar­ beitet, indem die digitale Abtastung mit Hilfe eines Winkel­ sensors 13 getaktet wird. Der Winkelsensor 13 tastet dabei einen Zahnkranz 14 ab, der sich kurbelwellensynchron dreht. Das aufbereitete Ausgangssignal des Winkelsensors 13 ist ein rechteckförmiges Signal, dessen High-Low-Phasen den Zahn­ kranz 14 wiederspiegeln.
Mittels geeigneter Flanken dieses Rechtecksignales werden die für die kurbelwellensynchrone Abtastung benötigten Signale erzeugt. Die Drehzahl der Brennkraftmaschine wird in bekannter Weise durch Auswertung der zeitlichen Abstände gleichartiger Flanken des drehzahlabhängigen Rechtecksigna­ les des Winkelsensors 13 bestimmt.
Im Steuergerät 12 werden sowohl die Signale des Drucksensors 11 als auch die des Winkelsensors 13 zur Ermittlung der dem Saugrohr 18 zugeführten Luftmasse mL ausgewertet. Die zuge­ führten Luftmasse mL ist dabei aus den erhaltenen Druckdiffe­ renzen bzw. den Druckintegralen ermittelbar. Wie die Druck­ differenzen bzw. die Druckintegrale genau berechnet werden, bzw. wie daraus die zugeführte Luftmasse mL berechnet wird, wird mit Hilfe der Fig. 2 noch näher erläutert.
In der zentralen Prozessoreinheit (CPU) des Steuergerätes wird aus in Speichern abgespeicherten Kennfeldern beispiels­ weise der Zündzeitpunkt, die Einspritzzeit und die Abgas­ rückführrate in Abhängigkeit von Drehzahl und Druckdifferenz bzw. Druckintegral bzw. der daraus ermittelten Luftmasse berechnet. Unter Berücksichtigung der Kennfeldwerte wird der Zündfunke an der Zündkerze 15 erzeugt, die Kraftstoffmasse für das Einspritzventil 16 zugemessen und die Abgasrückführ­ rate am Abgasrückführventil 17 eingestellt.
Mit der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung, mit einem Drucksensor pro Zylinder kann der Liefergradunterschied der einzelnen Zylinder eines Verbrennungsmotor erkannt und beho­ ben werden, es ist dadurch möglich den Kraftstoffverbrauch und die Rohemission abzusenken. Darüber hinaus können andere teuere Lastsensoren eingespart werden.
Für einfache und besonders kostengünstige Systeme kann ein Brennraumdrucksensor in nur einem Zylinder der Brennkraft­ maschine angeordnet sein, der die Betriebsparameter für den gesamten Motor liefert.
In Fig. 2 ist der aus dem Ausgangssignal des Drucksensors U(p) gewonnene Verlauf des Zylinderdruckes p über dem Kur­ belwellenwinkel x aufgetragen. Der Verlauf des Zylinder­ druckes p (x) ist während des Ansaugtaktes relativ konstant, er steigt in der Kompressionsphase stark an und erreicht im Verbrennungstakt sein Maximum. Nach dem Verbrennen sowie im Ausstoßtakt fällt der Druck wieder ab.
Neben dem Druckverlauf sind in Fig. 2 noch weitere Größen eingetragen, die für die erfindungsgemäße Auswertung we­ sentlich sind. Es ist dies zum einen die Druckdifferenz dp sowie die Integrationsbereiche I1 und I2. Dabei lassen sich diese Integrationsbereiche I1 und I2 in Abhängigkeit vom Kurbelwellenwinkel x oder vom zugehörigen Zylindervolumen V festlegen. Sie sind aus dem Druckverlauf zu berechnen, es gelten dabei folgende Gleichungen:
dp = p(x₂) - p(x₁)
Ipx = I2x - I1x
oder:
IpV = I2V - I1V
Für die Lasterfassung aus dem gemessenen Brennraumdruckver­ lauf sind also mehrere Möglichkeiten denkbar. Der erste Weg besteht darin, die Last mit Hilfe der Auswertung der Druck­ differenz dp zu ermitteln, die zweite Möglichkeit besteht darin, die Last mit Hilfe der Auswertung eines oder mehrerer Druckintegrale zu bestimmen. Eine dritte Möglichkeit ist die Lastbestimmung mittels einer gewichteten Summenbildung ge­ eigneter Druckwerte, dies ist eine Verallgemeinerung des ersten Weges. Alle Methoden bauen darauf auf, daß der Brenn­ raumdruckverlauf prinzipiell bekannt ist und sich nach je­ weils vier Takten wiederholt. Der vorherzusehende Verlauf rechtfertigt die folgende Vorgehensweise.
1. Lasterfassung aus Druckdifferenz
Zur Bestimmung der Druckdifferenz dp wird der Druck an der Stelle x1 vom Druck an der Stelle x2 abgezogen. Beide Stütz­ stellen x1 und x2 liegen im Kompressionstakt, für die Stütz­ stelle x2 ist vorzugsweise der früheste Zündzeitpunkt, bei­ spielsweise 340° KW zu wählen. Die Stützstelle x1 sollte ei­ nerseits weit genug vor x2 liegen, damit die Druckdifferenz möglichst groß wird, aber andererseits sollte die Stützstel­ le x1 nicht im Bereich von Störungen durch Ventilbewegungen oder ähnliches liegen. Als günstiger Wert hat sich ein Kur­ belwellenwinkel von x = 300° KW erwiesen. Durch Aufstellen der realen Gasgleichung für beide Stützstellen wird für die Gasmasse mG erhalten:
unter der Bedingung, daß gilt:
dp = p(x2)-p(x1), mG = mL+ mK + mR, x2 < x1
berechnet sich die Luftmasse dann zu:
wobei mK die Masse des Kraftstoffs im Zylinder und mR die Restgasmasse, also die Masse des Gases, das im Zylinder zu­ rückbleibt, ist.
Diese Gleichung kann auch mit Hilfe eines Korrekturfaktors fLpk formuliert werden, es gilt dann:
mL = dp * fLpk -mK
für den Korrekturfaktor fLpk gilt dann:
Der Korrekturfaktor fLpk ist eine Funktion der Gastempera­ tur, des Volumens, der Gaskonstanten und der Restgasmasse. Da der Korrekturfaktor fLpk nur schwer zu berechnen ist, ist es vorteilhafter, diesen Korrekturfaktor fLpk in einem von der Drehzahl n und der Druckdifferenz dp abhängigen Kennfeld abzulegen und damit dem Steuergerät zur Verfügung zu stellen.
Der Korrekturfaktor fLpk beschreibt die Auswirkung der im Motorbetrieb nicht konstanten Größen Polytropenexponent, Gaskonstante und Temperatur.
Eine besonders einfache und kostengünstige Lösung besteht darin, die Luftmasse nicht explizit aus der Druckdifferenz zu berechnen, sondern direkt die Zündzeitpunkte, Einspritz­ zeiten und Abgasrückführraten in Abhängigkeit von der Druckdifferenz und der Drehzahl abzulegen.
2. Lasterfassung aus Druckintegral
Eine zweite Möglichkeit zur Lasterfassung aus dem Brennraum­ druck ist möglich, indem das Druckintegral Ipx ausgewertet wird. Es werden dabei zwei Integrale an unterschiedlichen Stellen gebildet. Als geeignete Stützstellen sind x2=360° KW und x1=180° KW möglich. Es stellt dann das Integral I₂ den mittleren Kompressionsdruck dar, der eine Funktion der Gas­ masse ist. Von diesem Integral wird der mittlere Ansaug­ druck, der aus dem Integral I₁ ermittelt wird, abgezogen, er ist auch eine Funktion der Gasmasse. Es wird damit eine re­ lative Größe erhalten, die unabhängig von Temperatur und sonstigen Effekten ist.
Der mittlere Ansaugdruck wird erhalten, indem ein Integral über den Druckverlauf im Ansaugtakt ermittelt wird, als In­ tegrationsgrenzen sind beispielsweise 360°KW-x2 sowie 360°KW- x1 möglich. Die beiden Integrale sind in Fig. 2 mit I₁ und I₂ dargestellt.
Die in Fig. 2 angegebenen Stützstellen können in gewissen Bereichen variiert werden, es ist beispielsweise auch mög­ lich, x2 = 340° KW und x1 = 300° KW vorzusehen. Die Grenzen für das Integral I₁ sind entsprechend anzupassen. Es ist auch möglich, den Lastzustand nur aus einem Druckintegral zwischen zwei Stützstellen im Bereich des ansteigenden Druckes innerhalb der ersten 360° KWS zu ermitteln.
Weiterhin ist möglich, das Druckintegral als Summe von einem Teil der Ansaugarbeit und einem Teil der Verdichtungsarbeit zu bilden.
Dazu muß die Integralbildung im Volumenmaßstab durchgeführt werden und führt dann zu einer Lastkenngröße IpV, die sich mit Hilfe der Volumina an den Stützstellen x1 und x2 bilden läßt. Beträgt x2 = 360 und x1 = 180, so ist das Integral die Summe aus Ansaugarbeit und Verdichtungsarbeit.
Der Zusammenhang zwischen Druckintegral und Luftmasse mL wird wieder in einem Kennfeld bereit gestellt. Die Integral­ bildung hat den weiteren Vorteil, daß sie Störungen im Drucksignal kaum auf das Ergebnis auswirken, insbesondere kurzzeitige Signalsprünge durch Störquellen werden durch die Integration herausgemittelt.
Besonders einfach und kostengünstig ist es wiederum, die Luftmasse aus dem Druckintegral nicht explizit zu berechnen, sondern direkt die Zündzeitpunkte, Einspritzzeiten und Ab­ gasrückführraten in Abhängigkeit von Druckintegral und Drehzahl n in Kennfeldern abzulegen.
Aus dem vom Brennraumdruck abhängigen Signal, bzw. den Signalen können neben der Last auch weitere Größen, die zur Regelung einer Brennkraftmaschine benötigt werden, vom Steu­ ergerät ermittelt werden, beispielsweise die Drehzahl, die aus dem zeitlichen Abstand zweier Druckmaxima oder anderer charakteristischer Signalstellen gewonnen werden kann. Dies ist besonders im Zusammenhang mit einem Notlauf, bei ausge­ fallenem Drehzahlsensor sinnvoll.
3. Lasterfassung mittels gewichteter Summenbildung
Die Lasterfassung bzw. die Bestimung der einer Brennkraftma­ schine zugeführten Luftmasse kann auch durch Auswertung ei­ nes Teiles oder der gesamten Kompressionsphase durch gewich­ tete Summation des Kurbelwellensynchron gemessenen Druckes im Zylinder erfolgen. Diese Summe S läßt sich darstellen als
Die Auswertung der Summe S der beiden Kurbelwinkeln xi ge­ messenen Zylinderinnendrücke p(xi) führt zu einer hohen Ge­ nauigkeit bei der daraus ermittelbaren angesaugten Frisch­ luftmasse, da Bereiche mit vergleichsweise geringerer Meß­ genauigkeit des Sensors, Signaleinstreuungen sowie anwen­ dungsspezifische Einflüsse durch geeignet gewählte Gewich­ tungsfaktoren berücksichtigt werden bzw. unterdrückt werden können, wenn der betreffende Gewichtungsfaktor gleich Null gewählt wird.
Die Summation kann sich über alle im Bereich zwischen "Einlaß schließt" und "Auslaß öffnet" aufgenommene Werte er­ strecken. Dieses erweiterte Meßfenster läßt die Auswertung des Druckverlaufs während der Verbrennung und der Expansion zu, wobei durch Gewichtungsfaktoren gi = 0 nicht relevante Meßwerte oder Meßbereiche ausgeblendet werden.
Durch geeignet gewählte gi-Werte läßt sich erreichen, daß aus dem Druckanstieg im Kompressionstakt die Zylinderfüllung ermittelbar ist.
Als Randbedingung für die Festlegung der Gewichtungsfaktoren gi kann gesetzt werden:
Σ gi = 0
oder:
gi = i - (N - 1)/2
wobei N die Anzahl der Meßwerte im relevanten Meßfenster ist. Diese Randbedingung ergibt einen rechentechnisch sehr einfachen Algorithmus.
Mit den Bedingungen:
i = 1, 2
g₁ = - 1/(x₂ - x₁)
gilt für gi:
gi = + 1/(x₂ - x₁)
und:
für die Summe S1/2 wird also gerade die nach der ersten Vor­ gehensweise bestimmte Lasterfassung aus der Druckdifferenz erhalten. Die Methode der Lasterfassung aus gewichteter Sum­ menbildung ist also die Verallgemeinerung zur Methode der Lasterfassung aus der Druckdifferenz.
Vorteilhaft ist es wiederum, die Luftmasse nicht explizit zu berechnen, sondern Zündzeitpunkte, Einspritzzeit und -dauer und Abgasrückführrate in Abhängigkeit vom Wert der gewichte­ ten Summe und der Drehzahl n in Kennfeldern abzulegen.

Claims (14)

1. Einrichtung zur Lasterfassung bei einer Brennkraftmaschi­ ne mit einem Drucksensor, der im Brennraum der Brennkraftma­ schine angeordnet ist und ein vom Brennraumdruck abhängiges Ausgangssignal liefert, mit einem Kurbelwinkelsensor zur Erfassung des Kurbelwellenwinkels und einer Recheneinrich­ tung, die die Last aus dem Ausgangssignal des Drucksensors bei vorgebbaren Kurbelwellenwinkeln ermittelt, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Last aus Relativwerten des Ausgangs­ signales des Drucksensors ermittelt wird.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Last aus der Differenz von Druckwerten bei wenigstens zwei verschiedenen, vorgebbaren Kurbelwellenwinkeln (x₁, x₂) bestimmt wird.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Last aus der Differenz von zwei Integralwerten ermittelt wird, wobei die Integralwerte durch Integration des Aus­ gangssignales des Drucksensors zwischen jeweils zwei ver­ schiedenen, vorgebbaren Kurbelwellenwinkeln bestimmt werden.
4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Last aus einer Summe von mehreren bei verschiedenen vor­ gebbaren Kurbelwellenwinkeln gemessenen Druckwerten, die je­ weils mit einem Gewichtungsfaktor multipliziert werden, be­ stimmt wird.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewichtungsfaktoren so gewählt werden, daß die Summe über alle N Gewichtungsfaktoren gleich Null ist und die Faktoren, die mit nicht relevanten Meßwerten multipliziert werden gleich Null sind, bzw. daß gilt: g₂ = i - (N - 1)/2; mit i = 1, 2, . . . N.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere aufeinanderfolgende Gewichtungsfaktoren gleich Null sind, zur Ausblendung nicht relevanter Meßwerte oder Meßbe­ reiche.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die zwei verschiedenen vorgebbaren Kurbel­ wellenwinkel oder die Integrationsbereiche oder die Summa­ tionsbereiche so gewählt werden, daß sie in einem Kurbelwel­ lenbereich liegen, in dem ein Druckanstieg während der Kom­ pressionsphase erfolgt und dieser Druckanstieg ausgewertet wird.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Summation über alle im Bereich zwischen "Einlaß schließt" und "Auslaß öffnet" aufgenommenen Druckwerte er­ streckt.
9. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Recheneinrichtung das Steuer­ gerät der Brennkraftmaschine ist.
10. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Luftmasse mL von der Rechen­ einrichtung aus einer Druckdifferenz oder aus einem Druckin­ tegral unter Berücksichtigung der allgemeinen Gasgleichung ermittelt wird.
11. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Luftmasse unter Berücksichti­ gung eines Korrekturfaktors fLpk, der eine Funktion der Gas­ temperatur, des Volumens, der Gaskonstanten und des Restga­ ses ist, ermittelt wird und dieser in einem drehzahl- und druckdifferenzabhängigen Kennfeld oder in einem drehzahl- und druckintegralabhängigen Kennfeld abgelegt ist.
12. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß im Steuergerät Kennfelder abge­ speichert sind, die eine Verknüpfung zwischen Last, insbe­ sondere Luftmasse sowie Drehzahl und Druckdifferenz oder Druckintegral umfassen.
13. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß im Steuergerät aus einer der lastabhängigen Größen Druckdifferenz oder Druckintegral und der Drehzahl die für die Regelung der Brennkraftmaschine er­ forderlichen Größen wie Zündzeitpunkte, Einspritzzeiten und/oder Abgasrückführrate ermittelt werden.
14. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß aus dem vom Brennraumdruck abhän­ gigen Ausgangssignal des Drucksensors weitere Größen zur Regelung der Brennkraftmaschine gewonnen werden, insbeson­ dere die Drehzahl, die aus dem zeitlichen Abstand zweier Druckmaxima im Steuergerät berechnet wird.
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