EP1559888A2 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung mindestens einer Verbrennungsgrösse eines Verbrennungsvorgangs - Google Patents

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EP1559888A2
EP1559888A2 EP05001805A EP05001805A EP1559888A2 EP 1559888 A2 EP1559888 A2 EP 1559888A2 EP 05001805 A EP05001805 A EP 05001805A EP 05001805 A EP05001805 A EP 05001805A EP 1559888 A2 EP1559888 A2 EP 1559888A2
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EP
European Patent Office
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combustion
combustion chamber
ionization
ionization signal
value
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EP1559888A3 (de
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Martin Herrs
Hubert Nolte
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Stiebel Eltron GmbH and Co KG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D35/00—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for
    • F02D35/02—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for on interior conditions
    • F02D35/021—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for on interior conditions using an ionic current sensor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/14—Introducing closed-loop corrections
    • F02D41/1438—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor
    • F02D41/1444—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the characteristics of the combustion gases
    • F02D41/1454—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the characteristics of the combustion gases the characteristics being an oxygen content or concentration or the air-fuel ratio
    • F02D41/1458—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the characteristics of the combustion gases the characteristics being an oxygen content or concentration or the air-fuel ratio with determination means using an estimation

Definitions

  • the invention relates to a method for determining at least one Combustion quantity of a combustion process in the combustion chamber of an internal combustion engine during dynamic engine operation, one during the combustion process in the combustion chamber as a result of a test voltage generated lonisationssignal is evaluated. It further relates to a device for implementation of the procedure.
  • This method is offset in time during the combustion process to the ignition pulse initiating the combustion an electrical test voltage in the form of a voltage pulse to the spark plug of the respective combustion chamber of the internal combustion engine.
  • the duration of the test pulse is the Influenced by the respective air-fuel mixture of the corresponding Combustion chamber detected as an electrical parameter and derived from it Ionization signal evaluated.
  • the course of the ionization signal in dependence from the time or the crank angle can be mathematical, for example by determining the curve integral, the maximum or certain curve slopes, be evaluated.
  • the invention is therefore based on the object, a method of the aforementioned Specify type in which when determining at least one combustion size a combustion process in the combustion chamber of an internal combustion engine also cross sensitivities as a result of changing operating conditions, in particular resulting from the dynamic engine operation resulting geometry influences, be taken into account. Furthermore, one for carrying out the method particularly suitable device can be specified.
  • an ionization signal which is a during the combustion process carried out in the combustion chamber lonisationscream is generated or derived by means of a dynamic change of Corresponds to combustion chamber geometry taking into account value curve corrected.
  • the invention is based on the consideration that the ionization measurement even with the same air-fuel ratio and thus at the same permanent air ratio due to the operational dynamic change of the combustion chamber geometry being affected.
  • the measurable ionization current from the example through the center electrode of the spark plug of Brennraums formed anode through the ground surface of the combustion chamber Cathode not only dependent on the conductance of the ionized fuel gases.
  • Much more There is also a dependence on the distance of the individual surface segments or elements between the anode and the cathode and the size of these surfaces. Belongs to the ground surface of the combustion chamber forming cathode in an internal combustion engine, the piston, whose distance from the anode Cyclically changes during engine operation. The piston movement influences furthermore the size of the cylinder wall available as a cathode.
  • the available as a cathode ground surface of the combustion chamber can be thereby subdivide into stationary and mobile surface elements.
  • stationary and in terms of their size unchangeable surface elements are the by the Center electrode of the spark plug formed anode and the cylinder cover of the combustion chamber.
  • the spatially variable surface elements can in turn be subdivided in terms of their size unchangeable surface elements, such as the piston head, and in area elements of variable size, such as the cylinder wall.
  • the value course which takes into account the functional or inversely functional relationship between conductance and crank angle and thus the combustion chamber geometry is expediently stored in the manner of a correction function matrix in a preferably multi-layered register.
  • Each value curve of this matrix reflects a specific combustion chamber geometry.
  • a correction signal, which is retrieved or read out of the register from the register during an ionization measurement in the form of the combustion chamber-specific value profile, is charged with the ionization signal generated during the ionization measurement. The thus corrected with respect to the influences of the change in the combustion chamber geometry ionization signal is used to evaluate the desired combustion variables.
  • the advantages achieved by the invention are, in particular, that by correcting the ionization signal determined during an ionization measurement in the combustion chamber of an internal combustion engine with a value curve of a combustion chamber-specific correction function taking into account the dynamic change of the combustion chamber geometry, unwanted cross-sensitivities in the determination of characteristic combustion variables are at least considerably reduced. As a result, a control variable or variable that reliably indicates the current conditions is provided, which in turn can be used to generate reliable control variables of a combustion control.
  • an internal combustion engine 1 has at least one below Combustion chamber 2 designated cylinder with therein movable piston 3 and with a Spark plug 4 on.
  • An ignition coil unit 5 having a primary winding 5a and a Secondary winding 5b is switched on the primary side by a breaker contact 6.
  • a combustion phase referred to below as the combustion process is at the spark plug 4 initially from the ignition coil unit 5 a Ignition pulse Z and this time-delayed by a pulse generator. 7 generates a test or voltage pulse P.
  • Fig. 2 shows in a voltage-time diagram the ignition pulse Z and the temporal this subsequent, preferably rectangular, dashed line electrical test voltage P.
  • This can be a pulse-like voltage in the form of a voltage pulse or a temporally comparatively long lasting voltage signal.
  • the ignition voltage of the ignition pulse Z at time t 0 is about 15kV
  • the amplitude U 0 of the rectangular test voltage P is between 100V and 1000V.
  • the downstream of the pulse generator 7 measuring resistor R m is guided via a measuring line 8 to a contact point 9 with a leading to the spark plug 4 ignition line 10.
  • Im leads to a corresponding voltage drop across the measuring resistor R m .
  • the measured in the current flow direction behind the measuring resistor R m measurement voltage U m the course shown in Fig. 2 is hereinafter referred to as ionization I s , is proportional to the ionization Im.
  • the composition of the air-fuel mixture A / F in the combustion chamber 2 over the duration of the test voltage or the test voltage pulse P in the time interval ⁇ t resulting time-dependent course of the measuring voltage U m is detected via the measuring resistor R m in an evaluation circuit 11.
  • the rectangular test voltage P tapped between the pulse generator 7 and the measuring resistor R m is likewise fed to the evaluation circuit 11.
  • the pulse generator 7 For detecting the ignition timing t 0 , the pulse generator 7 is led via a signal line 12 to the breaker contact 6 or to the ignition coil unit 5. To decouple the secondary winding 5b of the ignition coil unit 5 from the voltage pulse P are connected in the secondary winding 5b with the spark plug 4 connecting the ignition wire 10 in the embodiment, two voltage-dependent resistors R s . This ensures that on the one hand the ignition pulse Z to the spark plug 4 and on the other hand the test pulse or the test voltage P reaches the spark plug 4 in time after the ignition pulse Z.
  • the voltage level or amplitude U 0 of the test voltage P is adapted to the dashed line indicated electrical resistance R I of the ionization section formed within the combustion chamber 2.
  • the voltage amplitude U 0 of the test voltage P is selected such that in all engine or operating states, a measurement of the ionization current I m or the ionization voltage U m and thus the ionization I s in the linear region resulting from the current-voltage dependence Function course takes place.
  • the time profile of the ionization signal I s resulting from this ionization measurement is shown in FIG. 2 for a lambda value of ⁇ ⁇ 1.
  • the evaluation circuit 11 compares the respective actual value of the ionisation signal I s with the preset electrical desired value S L and calculates a number of manipulated variables S 1... N for the following ignition process. For example, a manipulated variable S 1 for a supply of air A in the combustion chamber 2 adjusting throttle valve 13, a manipulated variable S 2 for the supply of fuel F in the combustion chamber 2 adjusting injection system 14 and / or a further control variable S 3 is determined is guided via a signal line 15 for adjusting the ignition timing to the breaker contact 6. By means of an ignition distributor 16, the ignition pulses Z and the test voltage P are successively applied to further existing combustion chambers 2 of the internal combustion engine 1.
  • a correction of the currently detected lonsisationssignals I s is determined. This characterizes or describes the combustion chamber geometry specific for this combustion chamber 2 and its dynamic change during engine operation. For this purpose, the known physical dependencies for the evaluation of the air ratio ⁇ of a combustion by means of the above-described ionization measurement are used.
  • the air ratio ⁇ of the combustion determines the proportionality to the ionization of the mixture A / F by the Richardson equation.
  • This conductance L can be determined from the ionization current I m via the current measurement voltage U m and from the ionization signal I s according to the abovementioned mathematical relationship.
  • Influence thereon also has the geometric arrangement of the electrodes for the generation of the ignition pulse Z in the combustion chamber 2.
  • the conductance L of the plasma and thus the ionization can be quantified.
  • the center electrode Z A of the spark plug 4 can be used for this purpose as the anode in the internal combustion engine 1.
  • the cathode then the entire ground surface of the combustion chamber 2 is to be considered.
  • This also includes the piston 3, the distance to the anode Z A changes cyclically.
  • the piston movement influences the size of the cylinder or combustion chamber wall of the combustion chamber 2 available as the cathode.
  • This operational change in the combustion chamber geometry and the resulting differences for the ionization measurement are illustrated in FIGS. 3a and 3b by top dead center bottom dead center of the piston 3 within the cylinder or combustion chamber. 2
  • the current flow from the anode Z A to the cathode formed by the entire ground surface of the combustion chamber 2 is both the conductance L of the ionized gases and the distance of the individual surface segments or elements formed by the anode Z A and the cathode as well as by the size of these surface elements.
  • the current flows can be superposed to the individual surface elements. These in turn can be divided into stationary and portable.
  • the anode Z A and the cylinder cover Z D stationary and not changing in dynamic engine operation in size surface elements.
  • the piston head Z B is a mobile surface element, but does not change in size.
  • the cylinder walls Z w form both spatially variable and variable in size surface elements.
  • the course of the conductance L (Z D ) of the cylinder cover surface element Z D from the crank angle K w is shown in the lower half of the diagram according to FIG. 4 a. This course is constant and reflects the local strength as well as the cylinder cover surface element Z D , which is unchanged in size.
  • a significant periodic dependency of the conductance L (Z B ) of the surface-area element Z B, which is represented by the piston crown and is both variable in size and variable in magnitude, from the crank angle K w is shown in the middle curve in the lower diagram half 4a.
  • the dependence of the conductance L (Z w ) of the cylinder wall representing spatially variable, but not variable in size surface element Z w from the crankshaft angle K w is comparatively low.
  • a cylinder wall conductance L (Z W ) increasing and decreasing periodically with the piston angle K w is recognizable, while the conductance L (Z B ) of the piston bottom surface element Z B initially decreases periodically with increasing piston angle K w , in order to then ab certain piston angle K w increase again.
  • the total conductance L G shown in the upper half of the diagram according to FIG. 4a results as a function of the crank angle K w .
  • the total conductance L G L (K W ) * L spec , which is shown as the sum of the individual conductivity values L (F z ) and is determined by the ionization measurement , with the specific conductance L spec of the ionized fuel gas, has a dependence F (K W ) on the crankshaft angle K w and thus does not exclusively depict the specific conductance L spec of the combustion gases dependent on the air ratio ⁇ .
  • the correction register K R of the evaluation circuit 11 according to FIG. 5 contains, in the manner of a function matrix, a multiplicity of combustion chamber-specific value curves L Gn ' L' Gn ' . These characterize the different combustion chamber geometries F z of the different combustion chambers 2. The determination of the or each combustion variable of the combustion process taking place in the individual combustion chambers 2 then takes place close to the signal flow shown in FIG. 5.
  • the current ionization signal I s is time-synchronized or angle-synchronized with the correction signal or value profile L ' Gn and thus the current ionization signal I s is corrected.
  • the ionization signal I ' s corrected with respect to the influences of the change in the combustion chamber geometry is then evaluated with regard to the desired combustion variables in a function or evaluation module AW. This supplies the manipulated variables S n required for the combustion control.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung mindestens einer Verbrennungsgröße (λ) eines Verbrennungsvorgangs im Brennraum (2) eines Verbrennungsmotors (1) bei dynamischem Motorbetrieb, wobei ein während des Verbrennungsvorgangs im Brennraum (2) infolge einer Prüfspannung (P) erzeugtes lonisationssignal (IS) mittels eines die dynamische Änderung der Brennraumgeometrie (2a, 2b, 2c) berücksichtigenden Werteverlauf (LG, L'G) korrigiert wird. <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung mindestens einer Verbrennungsgröße eines Verbrennungsvorgangs im Brennraum eines Verbrennungsmotors bei dynamischem Motorbetrieb, bei dem ein während des Verbrennungsvorgangs im Brennraum infolge einer Prüfspannung erzeugtes lonisationssignal ausgewertet wird. Sie bezieht sich weiter auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Mittels eines beispielsweise aus der DE 196 14 388 C1 bekannten Verfahrens zur Regelung des Verbrennungsvorgangs eines Luft-Kraftstoff-Gemisches in einem Verbrennungsmotor, insbesondere in einem Ottomotor, anhand eines während einer Verbrennungsphase oder eines Verbrennungsvorgangs erfassten lonisationssignals sind Aussagen über charakteristische Verbrennungsgrößen möglich. Hierzu gehören insbesondere das Verhältnis von Luft zu Brenn- oder Kraftstoff A/F bzw. die Luftzahl λ, das Motorklopfen und die so genannte Abgasrezirkulationsrate AGR. Bei dieser wird durch eine Überschneidung der Ein- und Auslassventile des Verbrennungsmotors eine interne oder mittels eines Ventils eine externe Abgasrezirkulation realisiert.
Bei diesem Verfahren wird während des Verbrennungsvorgangs zeitlich versetzt zu dem die Verbrennung einleitenden Zündimpuls eine elektrische Prüfspannung in Form eines Spannungsimpulses an die Zündkerze des jeweiligen Brennraumes des Verbrennungsmotors gelegt. Während der Dauer des Prüfimpulses wird dessen Beeinflussung durch das jeweilige Luft-Kraftstoff-Gemisch des entsprechenden Verbrennungsraumes als elektrische Messgröße erfasst und ein daraus abgeleitetes Ionisationssignal ausgewertet. Der Verlauf des Ionisationssignals in Abhängigkeit von der Zeit oder dem Kurbelwinkel kann mathematisch, beispielsweise durch Ermittlung des Kurvenintegrals, des Maximums oder bestimmter Kurvenanstiege, ausgewertet werden.
Erkanntermaßen wirken sich jedoch auf das Ionisationssignal auch andere betriebsbedingte Parameter oder so genannte Querempfindlichkeiten des Motorbetriebs aus, insbesondere die jeweilige Drehzahl und der jeweilige Zündwinkel sowie dynamische Geometrieänderungen. Beispielsweise sinkt das Integral der lonisationsspannung und damit des Ionisationssignals auch bei gleichem Luft-Brennstoff-Gemisch und damit gleich bleibender Luftzahl der Verbrennung mit zunehmender Drehzahl und steigt bei größer werdendem Zündwinkel.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem bei der Bestimmung zumindest einer Verbrennungsgröße eines Verbrennungsvorgangs im Brennraum eines Verbrennungsmotors auch Querempfindlichkeiten infolge sich verändernder Betriebszustände, insbesondere infolge des dynamischen Motorbetriebs entstehende Geometrieeinflüsse, berücksichtigt werden. Des Weiteren soll eine zur Durchführung des Verfahrens besonders geeignete Vorrichtung angegeben werden.
Bezüglich des Verfahrens wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Dazu wird ein Ionisationssignal, das aus einer während des Verbrennungsvorgangs im Brennraum durchgeführten lonisationsmessung erzeugt oder abgeleitet wird, mittels eines die dynamische Änderung der Brennraumgeometrie berücksichtigenden Werteverlaufes korrigiert.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind Gegenstand der auf den Anspruch 1 rückbezogenen Unteransprüche. So ist der Werteverlauf zweckmäßigerweise die inverse Funktion eines in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel für unterschiedliche Flächenelemente des Brennraums bestimmten Gesamtleitwertes des sich über die Zeit im Brennraum verteilenden oder ausbreitenden ionisierten Brenngases bei als konstant angenommenem spezifischem Leitwert der Verbrennungsgase.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass die Ionisationsmessung auch bei gleich bleibendem Luft-Brennstoff-Verhältnis und damit auch bei gleich bleibender Luftzahl durch die betriebsbedingte dynamische Änderung der Brennraumgeometrie beeinflusst wird. So ist erkanntermaßen der messbare lonisationsstrom von der beispielsweise durch die Mittelelektrode der Zündkerze des Brennraums gebildeten Anode zur durch die Massefläche des Brennraums gebildeten Kathode nicht nur vom Leitwert der ionisierten Brenngase abhängig. Vielmehr besteht auch eine Abhängigkeit vom Abstand der einzelnen Flächensegmente oder -elemente zwischen der Anode und der Kathode sowie von der Größe dieser Flächen. Zur die Massefläche des Brennraums bildenden Kathode gehört bei einem Verbrennungsmotor auch der Kolben, dessen Abstand zur Anode sich während des Motorbetriebs zyklisch verändert. Die Kolbenbewegung beeinflusst weiterhin die Größe der als Kathode zur Verfügung stehenden Zylinderwand.
Die als Kathode zur Verfügung stehende Massefläche des Brennraums lässt sich dabei unterteilen in ortsfeste und ortsveränderliche Flächenelemente. Ortsfeste und hinsichtlich deren Größe unveränderliche Flächenelemente sind die durch die Mittelelektrode der Zündkerze gebildete Anode und der Zylinderdeckel des Brennraums. Die ortsveränderlichen Flächenelemente lassen sich wiederum unterteilen in hinsichtlich deren Größe unveränderliche Flächenelemente, wie der Kolbenboden, und in Flächenelemente mit veränderlicher Größe, wie die Zylinderwand.
Durch Ermittlung des funktionalen Zusammenhangs des Leitwertes des ionisierten Brenngases im Brennraum in Zeitabhängigkeit vom sich ändernden Kurbelwinkel - bezogen auf die einzelnen Flächenelemente - lässt sich der mit der dynamischen Änderung der Brennraumgeometrie verändernde Gesamtleitwert als Funktion des Kurbelwinkels bestimmen. Diese brennraumspezifische Funktion spiegelt somit für diesen speziellen Brennraum dessen charakteristische dynamische Geometrieänderung wider. Durch Invertieren dieser vorzugsweise normierten Funktion ist dann ein Werteverlauf mit dem jeweiligen Kurbelwinkel zugeordneten Korrekturwerten gegeben. Wird nun dieser Werteverlauf mit dem spezifischen Leitwert des ionisierten Brenngases im Brennraum gewichtet, insbesondere multipliziert oder verrechnet, so wird der Einfluss der dynamischen Geometrieänderungen des Brennraums im Motorbetrieb auf das aktuell gemessene Ionisationssignal eliminiert oder zumindest erheblich reduziert.
Bezüglich der Vorrichtung wird die genannte Aufgabe erfindunggemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 8. Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der hierauf rückbezogenen Unteransprüche.
Der den funktionalen oder invers funktionalen Zusammenhang zwischen Leitwert und Kurbelwinkel und damit die Brennraumgeometrie berücksichtigende Werteverlauf wird zweckmäßigerweise nach Art einer Korrekturfunktionsmatrix in einem vorzugsweise mehrschichtigen Register hinterlegt. Dabei spiegelt jeder Werteverlauf dieser Matrix eine spezifische Brennraumgeometrie wider. Ein anhand des während einer Ionisationsmessung gleichzeitig erfassten Kurbelwinkels aus dem Register abgerufenes oder ausgelesenes Korrektorsignal in Form des brennraumspezifischen Werteverlaufs wird mit dem bei der Ionisationsmessung generierten Ionisationssignal verrechnet. Das somit hinsichtlich der Einflüsse der Änderung der Brennraumgeometrie korrigierte Ionisationssignal wird zur Auswertung der gewünschten Verbrennungsgrößen herangezogen.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch eine Korrektur des während einer Ionisationsmessung im Brennraum eines Verbrennungsmotors ermittelten Ionisationssignals mit einer die dynamische Änderung der Brennraumgeometrie berücksichtigenden Werteverlauf einer brennraumspezifischen Korrekturfunktion unerwünschte Querempfindlichkeiten bei der Bestimmung von charakteristischen Verbrennungsgrößen zumindest erheblich reduziert werden. Dadurch ist insgesamt eine die aktuellen Gegebenheiten zuverlässig angebende Regel- oder Steuergröße bereitgestellt, die ihrerseits für die Generierung zuverlässiger Stellgrößen einer Verbrennungsregelung herangezogen werden kann.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1
ein Schaltbild zur Erzeugung und Auswertung eines lonisationssignals in schematischer Darstellung,
Fig. 2
einen Verlauf des Ionisationssignals infolge eines Prüf- oder Spannungsimpulses während eines den Arbeitstakt eines Verbrennungsmotors charakterisierenden Verbrennungsvorgangs in einem Spannungs-Zeit-Diagramm,
Fig. 3a,3b
schematisch unterschiedliche Brennraumgeometrieen eines Kolbenzylinders am oberen bzw. unteren Totpunkt,
Fig. 4a,4b
in einem Leitwert-Winkel-Diagramm Funktionsverläufe des flächenspezifischer Leitwerte bzw. ein zum normierten Gesamtverlauf inverser Funktionsverlauf, und
Fig. 5
schematisch ein Signalflußverlauf mit Funktionsbausteinen zur Bestimmung aktueller Verbrennungsregelgrößen anhand eines korrigierten Ionisationssignals.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Gemäß Fig. 1 weist ein Verbrennungsmotor 1 mindestens einen nachfolgend als Brennraum 2 bezeichneten Zylinder mit darin beweglichem Kolben 3 und mit einer Zündkerze 4 auf. Eine Zündspuleneinheit 5 mit einer Primärwicklung 5a und einer Sekundärwicklung 5b wird primärseitig von einem Unterbrecherkontakt 6 geschaltet. Während einer nachfolgend als Verbrennungsvorgang bezeichneten Verbrennungsphase wird an der Zündkerze 4 zunächst von der Zündspuleneinheit 5 ein Zündimpuls Z und diesem gegenüber zeitverzögert von einem Impulsgenerator 7 ein Prüf- oder Spannungsimpuls P erzeugt.
Fig. 2 zeigt in einem Spannungs-Zeit-Diagramm den Zündimpuls Z und den zeitlich diesem nachfolgenden, vorzugsweise rechteckförmigen, strichliniert dargestellte elektrische Prüfspannung P. Diese kann eine impulsartige Spannung in Form eines Spannungsimpulses oder ein zeitlich vergleichsweise lange andauerndes Spannungssignal. Während die Zündspannung des Zündimpulses Z zum Zeitpunkt t0 etwa 15kV beträgt, liegt die Amplitude U0 der rechteckförmigen Prüfspannung P zwischen 100V und 1000V. Diese Spannung oder Spannungsamplitude U0 wird mittels des Impulsgenerators 7 vor einem Messwiderstand Rm während einer Impulsdauer t2-t1 = Δt auf einem konstanten Wert von vorzugsweise U0 = 600 V gehalten.
Der dem Impulsgenerator 7 nachgeschaltete Messwiderstand Rm ist über eine Messleitung 8 an eine Kontaktstelle 9 mit einer zur Zündkerze 4 führenden Zündleitung 10 geführt. Infolge der während der Verbrennung der Brenngase im Brennraum 2 auftretenden Ionisation fließt über den Messwiderstand Rm ein lonisationsstrom Im, der nach dem Ohm'schen Gesetz Um = Rm. Im zu einem entsprechenden Spannungsabfall am Messwiderstand Rm führt. Die in Stromflussrichtung hinter dem Messwiderstand Rm abgreifbare Messspannung Um, deren in Fig. 2 gezeigter Verlauf nachfolgend als lonisationssignal Is bezeichnet wird, ist proportional zum Ionisationsstrom Im. Der sich abhängig von der jeweiligen Zusammensetzung des Luft-Brennstoff-Gemisches A/F im Brennraum 2 über die Dauer der Prüfspannung oder des Prüfspannungsimpulses P im Zeitintervall Δt ergebende zeitabhängige Verlauf der Messspannung Um wird über den Messwiderstand Rm in einer Auswerteschaltung 11 erfasst. Gleichzeitig ist die zwischen dem Impulsgenerator 7 und dem Messwiderstand Rm abgegriffene rechteckförmige Prüfspannungs P ebenfalls an die Auswerteschaltung 11 geführt.
Zur Erfassung des Zündzeitpunkts t0 ist der Impulsgenerator 7 über eine Signalleitung 12 an den Unterbrecherkontakt 6 oder an die Zündspuleneinheit 5 geführt. Zur Entkopplung der Sekundärwicklung 5b der Zündspuleneinheit 5 vom Spannungsimpuls P sind in die die Sekundärwicklung 5b mit der Zündkerze 4 verbindende Zündleitung 10 im Ausführungsbeispiel zwei spannungsabhängige Widerstände Rs geschaltet. Dadurch ist gewährleistet, dass einerseits der Zündimpuls Z an die Zündkerze 4 und andererseits der Prüfimpuls bzw. die Prüfspannung P zeitlich nach dem Zündimpuls Z zur Zündkerze 4 gelangt. Die Auswerteschaltung 11 erhält zudem einen elektrischen Sollwert SL. Dieser entspricht einem für den Motorbetrieb gewünschten Lambda-Sollwert mit λ = 0,8 bis λ = 1,3, beispielsweise λ = 1.
Die Spannungshöhe oder -amplitude U0 der Prüfspannung P ist an den strichliniert angedeuteten elektrischen Widerstand RI der innerhalb des Brennraums 2 gebildeten Ionisationsstrecke angepasst. Dabei ist die Spannungsamplitude U0 der Prüfspannung P derart gewählt, dass in allen Motor- oder Betriebszuständen eine Messung des Ionisationsstroms Im bzw. der Ionisationsspannung Um und damit des Ionisationssignals Is im linearen Bereich des sich aus der Strom-Spannungs-Abhängigkeit ergebenden Funktionsverlaufs erfolgt.
Der sich durch diese Ionisationsmessung ergebende zeitliche Verlauf des lonisationssignals Is ist in Fig. 2 für einen Lambda-Wert von λ ≅ 1 gezeigt. Der zugehörige Ionisationsstrom Im ergibt sich dann gemäß der Beziehung Im = Um · L, wobei L der dem reziproken elektrischen Widerstand R, entsprechende Leitwert L = R1 -1 des ionisierten Brenngases ist.
Bei einer aktuellen Ionisationsmessung während des Zeitintervalls At ergibt sich dieser funktionale Zusammenhang aus dem von der Auswerteschaltung 11 erfassten zeitlichen Verlauf des am Messwiderstand Rm bewirkten Spannungsabfall infolge des über die Ionisationsstrecke fließenden Ionisationsstroms Im. Die Ionisationsstrecke ist dabei durch die Reihenschaltung aus dem Messwiderstand Rm und der Zündkerze 4 sowie dem elektrischen Widerstand RI des im Brennraum 2 ionisierten Brennstoffs gebildet. An diese Ionisationsstrecke ist die Prüfspannung P gelegt.
Die Auswerteschaltung 11 vergleicht den jeweiligen Ist-Wert des lonisationsssignals Is mit dem voreingestellten elektrischen Sollwert SL und berechnet für den folgenden Zündvorgang eine Anzahl von Stellgrößen S1...n. Beispielsweise wird eine Stellgröße S1 für eine die Zufuhr von Luft A in den Brennraum 2 einstellende Drosselklappe 13, eine Stellgröße S2 für ein die Zufuhr von Brennstoff F in den Brennraum 2 einstellendes Einspritzsystem 14 und/oder eine weitere Stellgröße S3 ermittelt, die über eine Signalleitung 15 zur Verstellung des Zündzeitpunkts an den Unterbrecherkontakt 6 geführt ist. Mittels eines Zündverteilers 16 werden die Zündimpulse Z und die Prüfspannung P zeitlich nacheinander an weitere vorhandene Brennräume 2 des Verbrennungsmotors 1 gelegt.
Um bei der Auswertung des Ionisationssignals Is die dessen Verlauf beeinflussende dynamische Änderung der Brennraumgeometrie zu berücksichtigen, erfolgt eine Korrektur des aktuell erfassten lonsisationssignals Is. Hierzu wird zunächst ein für den vorliegenden Brennraum 2 charakteristischer Werteverlauf ermittelt. Dieser charakterisiert oder beschreibt die für diesen Brennraum 2 spezifische Brennraumgeometrie und deren dynamische Änderung während des Motorbetriebs. Hierzu werden die erkanntermaßen bestehenden physikalischen Abhängigkeiten zur Auswertung der Luftzahl λ einer Verbrennung mittels der vorbeschriebenen Ionisationsmessung genutzt.
So ergibt sich aus dem Mischungsverhältnis von Verbrennungsluft A zu Kraft- oder Brennstoff F und somit aus dem Luft-Brennstoff Verhältnis A/F die Luftzahl λ der Verbrennung. Aus dieser wiederum ergibt sich die zugehörige Verbrennungstemperatur, deren Proportionalität zur Ionisation des Gemischen A/F durch die Richardson-Gleichung mathematisch beschreibbar ist. Die Ionisation wiederum bestimmt den Leitwert L = RI -1 des Verbrennungsplasmas. Dieser Leitwert L lässt sich aus über die aktuelle Messspannung Um aus dem Ionisationsstrom Im und damit aus dem lonisationssignal Is nach der oben genannten Beziehung mathematischen bestimmten. Somit ist durch die Ionisationsmessung jeder der vorgenannten Verbrennungsgrößen, insbesondere auch die Luftzahl λ, bestimmbar. Diese wiederum repräsentiert in Richtung zu niedrigeren Lambda-Werten ein überstöchiometrisches und in Richtung zu größeren Lambda-Werten ein unterstöchiometrisches Gemischverhältnis, je nach Abweichung vom Wert λ = 1.
Einfluss hierauf hat jedoch auch die geometrische Anordnung der Elektroden für die Erzeugung des Zündimpulses Z im Brennraum 2. Bei deren Spannungsbeaufschlagung mit der Prüfspannung P und die zeitfolgerichtige Messung des lonisationsationsstroms Im kann der Leitwert L des Plasmas und damit die Ionisation quantifiziert werden. Zur Berücksichtung dieser geometrischen Anordnung der Elektroden und deren dynamische Änderung infolge der sich betriebsbedingt ändernden Brennraumgeometrie wird zur Bestimmung des Leitwertes L der ionisierten Verbrennungswolke im Brennraum 2 zusätzlich zur Messung des lonisationsstroms Im aus der Messung des Spannungsverlaufs der über den Messwiderstand Rm erfassten Messspannung UM auch die Geometrie des Brennraums 2 zu jedem Zeitpunkt innerhalb des Zeitintervalls Δt = t2 - t1 einbezogen.
Mit Bezug auf die Fig. 3a und 3b kann hierzu als Anode beim Verbrennungsmotor 1 die Mittelelektrode ZA der Zündkerze 4 verwendet werden. Als Kathode ist dann die gesamte Massefläche des Brennraums 2 anzusehen. Hierzu gehört auch der Kolben 3, dessen Abstand zur Anode ZA sich zyklisch verändert. Dabei beeinflusst die Kolbenbewegung die Größe der als Kathode zur Verfügung stehenden Zylinder- oder Brennraumwand des Brennraums 2. Diese betriebsbedingte Änderung der Brennraumgeometrie und die sich daraus ergebenden Unterschiede für die Ionisationsmessung sind in den Fig. 3a und 3b verdeutlicht durch den oberen Totpunkt bzw. den unteren Totpunkt des Kolbens 3 innerhalb des Zylinders oder Brennraums 2.
Unter Berücksichtigung der Annahme, dass sich die ionisierten Gase im Brennraum 2 nach erfolgter Zündung gleichmäßig verteilen, ist der Stromfluss von der Anode ZA zur durch die gesamte Massefläche des Brennraums 2 gebildeten Kathode sowohl vom Leitwert L der ionisierten Gase als auch vom Abstand der einzelnen von der Anode ZA und der Kathode gebildeten Flächensegmente oder - elemente sowie von derer Größe dieser Flächenelemente abhängig. Zur Berechnung des Gesamtstromflusses können die Stromflüsse zu den einzelnen Flächenelementen überlagert werden. Diese wiederum können in ortsfeste und ortsveränderliche unterteilt werden. So sind die Anode ZA und der Zylinderdeckel ZD ortsfeste und sich im dynamischen Motorbetrieb in deren Größe nicht verändernde Flächenelemente. Demgegenüber ist der Kolbenboden ZB ein ortsveränderliches Flächenelement, das sich jedoch in dessen Größe nicht verändert. Demgegenüber bilden die Zylinderwände Zw sowohl ortsveränderliche als auch in deren Größe veränderliche Flächenelemente.
Die Fig. 4a zeigt die Abhängigkeit der Leitwerte L dieser einzelnen Flächenelemente Fz, mit Z = ZB, ZD oder Zw, vom Kurbelwinkel Kw der den Kolben 3 innerhalb des Zylinders oder Brennraums 2 zwischen dem oberen und dem unteren Totpunkt bewegenden Pleuel 17, wie in den Figuren 3a und 3b angedeutet. In der unteren Hälfte des Diagramms nach Fig. 4a dargestellt ist der Verlauf des Leitwertes L(ZD) des Zylinderdeckel-Flächenelements ZD vom Kurbelwinkel Kw. Dieser Verlauf ist konstant und spiegelt die Ortsfestigkeit sowie das in deren Größe unveränderte Zylinderdeckel-Flächenelement ZD wider. Eine erhebliche periodische Abhängigkeit des Leitwertes L(ZB) des durch den Kolbenboden repräsentierten, sowohl ortsveränderlichen als auch in der Größe veränderlichen Flächenelementes ZB vom Kurbelwinkel Kw zeigt der mittlere Kurvenverlauf in der unteren Diagrammhälfte 4a. Demgegenüber ist die Abhängigkeit des Leitwertes L(Zw) des die Zylinderwand repräsentierenden ortsveränderlichen, aber in dessen Größe nicht veränderlichen Flächenelementes Zw vom Kurbelwellenwinkel Kw vergleichsweise gering. Dabei ist ein periodisch mit dem Kolbenwinkel Kw zu- und abnehmender Zylinderwand-Leitwert L(ZW) erkennbar, während der Leitwert L(ZB) des Kolbenboden-Flächenelementes ZB periodisch mit zunehmendem Kolbenwinkel Kw zunächst abnimmt, um dann ab einem bestimmten Kolbenwinkel Kw wieder zuzunehmen.
Durch Summation dieser Kurvenverläufe ergibt sich der in der oberen Hälfte des Diagramms nach Fig. 4a dargestellte Gesamtleitwert LG in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel Kw. Der als Summe der Einzelleitwerte L(Fz) dargestellte und bei der Ionisationsmessung erfasste Gesamtleitwert LG = L(KW) · Lspez - mit dem spezifischen Leitwert Lspez des ionisierten Brenngases - weist eine Abhängigkeit F(KW) vom Kurbelwellenwinkel Kw auf und bildet somit nicht ausschließlich den von der Luftzahl λ abhängigen spezifischen Leitwert Lspez der Verbrennungsgase ab.
Diese Abhängigkeit L(Kw) des Gesamtleitwertes LG vom Kurbelwellenwinkel Kw, und damit der sich zeitabhängig mit der dynamischen Änderung der Brennraumgeometrie verändernde Gesamtleitwert LG, ist in Fig. 4b auf den Wert λ = 1 normiert. Der zu diesem Funktionsverlauf des Gesamtleitwertes LG inverse Funktionsverlauf bildet den zum für den spezifischen Brennraum 2 erfassten Werteverlauf LG inversen Werteverlauf L'G. Dieser wird zur Korrektur des aktuell erfassten Ionisationssignals Is herangezogen, um den Einfluss der dynamischen Änderung der Brennraumgeometrie zu reduzieren oder vollständig zu eliminieren. Der Werteverlauf LG und/oder der hierzu inverse Werteverlauf L'G wird in einem Korrekturregister KR der Auswerteschaltung 11 hinterlegt, wie in Fig. 5 dargestellt.
Das Korrekturregister KR der Auswerteschaltung 11 gemäß Fig. 5 enthält nach Art einer Funktionsmatrix eine Vielzahl von brennraumspezifischen Werteverläufen LGn' L'Gn'. Diese charakterisieren die unterschiedlichen Brennraumgeometrien Fz der verschiedenen Brennräume 2. Die Bestimmung der oder jeder Verbrennungsgröße des in den einzelnen Brennräumen 2 stattfindenden Verbrennungsvorgangs erfolgt dann nah dem in Fig. 5 dargestellten Signalfluss.
Durch Anlegen der Prüfspannung P an die Zündkerze 4 fließt nach erfolgter Zündung, d.h. zeitlich versetzt zum Zündimpuls Z der das lonisationssignal Is charakterisierende Ionisationsstrom Im zwischen der Anode ZA und der anhand der Fig. 3a und 3b beschriebenen Brennraummasse. In einem Funktionsbaustein IO wird das zum Ionisationsstrom Im proportionale elektrische lonisationssignal Is generiert. Parallel hierzu wird der Kurbelwinkel Kw erfasst und davon abhängig ein im Korrekturregister KR als Korrekturfunktion hinterlegter Werteverlauf L'Gn zur Berücksichtigung der dynamischen Änderung der Brennraumgeometrie abgerufen.
In einem Funktions- oder Verrechnungsbaustein VG wird das aktuelle lonisationssignal Is zeit- oder winkelsynchronen mit dem Korrektursignal oder Werteverlauf L'Gn verrechnet und somit das aktuelle lonisationssignal Is korrigiert. Im Verrechnungsbaustein VG erfolgt die Berechnung des korrigierten Ionisationssignals I's gemäß der Beziehung I's = Is · L'Gn' wobei n = 1,....,m und m die Anzahl der Brennräume 2 des Verbrennungsmotors 1 ist.
Das bezüglich der Einflüsse der Veränderung der Brennraumgeometrie korrigierte lonisationssignal I's wird anschließend im Hinblick auf die gewünschten Verbrennungsgrößen in einem Funktions- oder Auswertebaustein AW ausgewertet. Dieser liefert die für die Verbrennungsregelung erforderlichen Stellgrößen Sn.
Bezugszeichenliste
1
Verbrennungsmotor
2
Brennraum/Zylinder
3
Kolben
4
Zündkerze
5
Zündspuleneinheit
5a
Primärwicklung
5b
Sekundärwicklung
6
Unterbrecherkontakt
7
Impulsgenerator
8
Messleitung
9
Kontaktstelle
10
Zündleitung
11
Auswerteschaltung
12
Signalleitung
13
Drosselklappe
14
Einspritzsystem
15
Signalleitung
16
Zündverteiler
17
Pleuel
AW
Auswertebaustein
IO
Funktionsbaustein
Is
Ionisationssignal
KR
Korrekturregister
Kw
Kurbelwinkel
L
Leitwert
LG
Gesamtleitwert / Werteverlauf
L'G
inverser Werteverlauf
P
Prüfspannung / Spannungsimpuls
Sn
Stellgröße
VG
Verrechnungsbaustein
Z
Zündimpuls
ZA
Anode/Mittelelektrode
ZB
Kolbenboden
ZD
Zylinderdeckel
Zw
Zylinderwand
t0
Zeitpunkt des max. Zündimpulses/Zündzeitpunkt
U0
Amplitude der Prüfspannung P
Rm
Messwiderstand
Δt
Impulsdauer
Im
Ionisationsstrom
Rs
spannungsabhängiger Widerstand
SL
elektrischer Sollwert
R,
elektrischer Widerstand der innerhalb des Brennraums 2
Um
Ionisationsspannung
A
Luft / Verbrennungsluft
F
Brennstoff
Fz
Flächenelemente mit Z = ZB, ZD oder Zw / Brennraumgeometrien
I's
korrigiertes Ionisationssignal

Claims (10)

  1. Verfahren zur Bestimmung mindestens einer Verbrennungsgröße (λ) eines Verbrennungsvorgangs im Brennraum (2) eines Verbrennungsmotors (1) bei dynamischem Motorbetrieb, bei dem ein während des Verbrennungsvorgangs im Brennraum (2) infolge einer Prüfspannung (P) erzeugtes lonisationssignal (Is) ausgewertet wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Ionisationssignal (Is) mittels eines die dynamische Änderung der Brennraumgeometrie (Fz) berücksichtigenden Werteverlauf (LG, L'G) korrigiert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Werteverlauf (L'G) der inverse Verlauf (L'G) eines zeit- oder winkelabhängigen Leitwertes (LG) eines im Brennraum (2) ionisierten Brenngases (A, F) bestimmt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des Werteverlaufs (L'G) der Gesamtleitwert (LG(KW)) in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel (Kw) erfasst wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Gesamtleitwert (LG(KW)) aus der Summe von Leitwerten (L(Zn)) brennraumspezifischer Flächenelemente (Fz)) ermittelt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das korrigierte Ionisationssignal (I's) gemäß der Beziehung I's = Is · L'G ermittelt wird, wobei Is ein aktuell erfasstes Ionisationssignal und L'G der inverse Gesamtleitwert LG des ionisierten Brenngases (A, F) ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeder brennraumspezifisch erfasste Werteverlauf (LGn' L'Gn) als Korrekturfunktion hinterlegt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass anhand eines aktuell erfassten Kurbelwinkels (Kw) ein hinterlegter brennraumspezifischer Werteverlauf (LGn' L'Gn) ausgelesen und dieser mit dem aktuellen Ionisationssignal (Is) zu dessen Korrektur verrechnet wird.
  8. Vorrichtung zur Bestimmung mindestens einer Verbrennungsgröße (λ) eines Verbrennungsvorgangs im Brennraum (2) eines Verbrennungsmotors (1) bei dynamischem Motorbetrieb, mit einer Auswerteschaltung (11), die aus einem während des Verbrennungsvorgangs im Brennraum (2) infolge einer Ionisationsmessung (P, Um, Im) erzeugten Ionisationssignal (Is) eine Anzahl von Stellgrößen (Sn) zur Steuerung des Verbrennungsvorgangs generiert,
    gekennzeichnet durch
    ein Korrekturregister (KR) mit einer Anzahl von die dynamische Änderung der Brennraumgeometrie (Zn) berücksichtigenden Werteverläufen (LGn' L'Gn) und einen Verrechnungbaustein (VG) zur zeit- oder winkelsynchronen Verknüpfung eines aktuell erfassten Inonisationssignals (Is) mit einem anhand eines aktuell erfassten Kurbelwinkel (Kw) aus dem Korrekturregister (KR) ausgelesenen brennraumspezifischen Werteverlauf (L'Gn).
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch einen dem Verrechnungsbaustein (VG) vorgeschalteten Funktionsbaustein (IO) zur Ermittlung des Ionisationssignals (Is) aus einem während des Verbrennungsvorgangs infolge einer Prüfspannung (P) an einem Messwiderstand (Rm) zeitabhängig erfassten Spannungsverlaufs (Um).
  10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch einen dem Verrechnungsbaustein (VG) nachgeschalteten Auswertebaustein (AW) zur Bestimmung brennraumspezifischer Verbrennungsgrößen (λ) aus einem im Verrechnungsbaustein (VG) ermittelten korrigierten Ionisationssignal (I's).
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