Warning: fopen(111data/log202004041240.log): failed to open stream: No space left on device in /home/pde321/public_html/header.php on line 107

Warning: flock() expects parameter 1 to be resource, boolean given in /home/pde321/public_html/header.php on line 108

Warning: fclose() expects parameter 1 to be resource, boolean given in /home/pde321/public_html/header.php on line 113
Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung einer Verbrennungsgröße eines Verbrennungsvorgangs - Dokument DE102004004162B4
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102004004162B4 27.12.2007
Titel Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung einer Verbrennungsgröße eines Verbrennungsvorgangs
Anmelder Stiebel Eltron GmbH & Co. KG, 37603 Holzminden, DE
Erfinder Herrs, Martin, 37671 Höxter, DE;
Nolte, Hubert, 37671 Höxter, DE
DE-Anmeldedatum 28.01.2004
DE-Aktenzeichen 102004004162
Offenlegungstag 20.10.2005
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 27.12.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.12.2007
IPC-Hauptklasse G01L 23/22(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G01N 27/62(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   F02D 41/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   F02P 11/06(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

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 Ionisationssignal 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 Ionisationssignals sind Aussagen über charakteristische Verbrennungsgrößen möglich. Hierzu gehören insbesondere das Verhältnis von Luft zu Brenn- oder Kraftstoff (A/F) bzw. die Luftzahl (&lgr;), 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 Kurvenänstiege, ausgewertet werden.

DE 32 49 614 C2 zeigt ein Regelsystem für eine Brennkraftmaschine, welche einen Flammenfrontfühler aufweist, welcher zur Erfassung einer Flammenfront dient. Diese Signale werden dazu verwendet, die Verbrennung der Brennkraftmaschine zu steuern.

DE 40 15 992 A1 zeigt ein Verfahren zur Erkennung und Messung eines Klopfens von Brennkraftmaschinen. Hierzu werden die Signale mindestens eines Sensor ausgewertet um Informationen über einen klopfenden Betrieb zu erhalten. Bei der Auswertung wird mehr als eine charakteristische Eigenschaft dieser Signale bestimmt und mit mehren Referenzwerten verglichen, um Information über das Klopfverhalten der Brennkraftmaschine zu erhalten.

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 Ionisationsspannung 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.

DE 698 09 345 T2 zeigt ein Verfahren zum Bestimmen des Zylinderdruckes basierend auf einen an der Zündkerze gemessenen Ionenstrom. Hier wird unter anderem beschrieben, dass das Ionensignal auch von Faktoren abhängt, die keinen direkten Bezug zum Zylinderdruck haben. Dies kann beispielsweise die Geometrie der Zündkerzenelektrode darstellen.

DE 103 24 577 A1 zeigt ein Verfahren zur Bestimmung der Brennraumtemperatur einer Brennkraftmaschine. Dazu wird ein Ionenstrom gemessen und eine Resonanzfrequenz des Zylinders ermittelt. Die Resonanzfrequenz des Zylinders wird kurbelwinkelabhängig bestimmt. Anhand dieser Daten kann die Brennraumtemperatur bestimmt werden. Bei der Berechnung der Brennraumtemperatur wird die kurbelwinkelabhängige Zylindergeometrie bestimmt und die Brennraumtemperatur wird entsprechend korrigiert. Dies erfolgt durch Multiplikation der Länge, der sich aus dem kurbelwinkelabhängigen Abstand des Kolbens vom oberen Punkt des Zylinders ergibt, mit einem kurbelwinkelabhängigen Faktor multipliziert wird.

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 Ionisationsmessung 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 konstantem 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 beeinflusst wird durch die betriebsbedingte dynamische Änderung der Brennraumgeometrie. So ist erkanntermaßen der messbare Ionisationsstrom 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 dir 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 einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

1 schematisch ein Schaltbild zur Erzeugung und Auswertung eines Ionisationssignals,

2 in einem Spannungs-Zeit-Diagramm den Verlauf des Ionisationssignals infolge eines Prüf- oder Spannungsimpulses während eines den Arbeitstakt eines Verbrennungsmotors charakterisierenden Verbrennungsvorgangs,

3a, 3b schematisch unterschiedliche Brennraumgeometrieen eines Kolbenzylinders am oberen bzw. am unteren Totpunkt,

4a, 4b in einem Leitwert-Winkel-Diagramm Funktionsverläufe des flächenspezifischer Leitwerte bzw. ein zum normierten Gesamtverlauf inverser Funktionsverlauf, und

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 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 primarseitig 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.

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 = &Dgr;t auf einem konstanten Wert von vorzugsweise U0 = 600V 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 Ionisationsstrom Im, der nach dem Qhm'schen Gesetz zu einem entsprechenden Spannungsabfall am Messwiderstand Rm führt (Um = Rm·Im). Die in Stromflussrichtung hinter dem Messwiderstand Rm abgreifbare Messspannung Um, deren in 2 gezeigter Verlauf nachfolgend als Ionisationssignal 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 Prüfimpulses P im Zeitintervall &Dgr;t 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 Prüfspannung 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 &lgr; = 0,8 bis &lgr; = 1,3, beispielsweise &lgr; = 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 Ionisationssignals IS ist in 2 für einen Lambda-Wert von &lgr; ≅ 1 gezeigt. Der zugehörige Ionisationsstrom Im ergibt sich dann gemäß der Beziehung Im = Um·L, wobei L der dem reziproken elektrischen Widerstand RI entsprechende Leitwert des ionisierten Brenngases ist (L = RI –1).

Bei einer aktuellen Ionisationsmessung während des Zeitintervalls &Dgr;t 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 Ionisationsssignals 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 Ionsisationssignals 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 &lgr; 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 &lgr; 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 Ionisationssignal IS nach der oben genannten Beziehung mathematischen bestimmten. Somit ist durch die Ionisationsmessung jeder der vorgenannten Verbrennungsgrößen, insbesondere auch die Luftzahl &lgr;, bestimmbar. Diese wiederum repräsentiert – je nach Abweichung vom Wert &lgr; = 1 – in Richtung zu niedrigeren Lambda-Werten ein überstöchiometrisches und in Richtung zu größeren Lambda-Werten ein unterstöchiometrisches Gemischverhältnis.

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 Ionisationsationsstroms 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 Ionisationsstroms 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 &Dgr;t = t2 – t1 einbezogen.

Mit Bezug auf die 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 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 ZDortsfeste 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 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 Kolbenstange 17 (3). In der unteren Hälfte des Diagramms nach 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 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 &lgr; 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 4b auf den Wert &lgr; = 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 Werteverauf L'G wird in einem Korrekturregister KR der Auswerteschaltung 11 hinterlegt (5).

Das Korrekturregister KR der Auswerteschaltung 11 gemäß 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 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 Ionisationssignal IS charakterisierende Ionisationsstrom Im zwischen der Anode ZA und der anhand der 3a und 3b beschriebenen Brennraummasse. In einem Funktionsbaustein IO wird das zum Ionisationsstrom Im proportionale elektrische Ionisationssignal 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 Ionisationssignal IS zeit- oder winkelsynchronen mit dem Korrektursignal oder Werteverlauf L'Gn verrechnet und somit das aktuelle Ionisationssignal 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 Ionisationssignal 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.


Anspruch[de]
Verfahren zur Bestimmung mindestens einer Verbrennungsgröße (&lgr;) 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 Ionisationssignal (IS) ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Ionisationssignal (IS) um mindestens einen die dynamische Änderung der Brennraumgeometrie (FZ) berücksichtigenden Korrekturparametersatz (LG, L'G) korrigiert wird, welcher einem inversen Verlauf (L'G) eines zeit- oder winkelabhängigen elektrischen Leitwertes (LG) eines im Brennraum (2) ionisierten Brenngases (A, F) entspricht. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des Korrekturparametersatzes (L'G) der elektrische Gesamtleitwert (LG(KW)) eines im Brennraum (2) ionisierten Brenngases (A, F) in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel. (KW) erfasst wird. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gesamtleitwert (LG(KW)) aus der Summe von elektrischen Leitwerten (L(Zn)) der brennraumspezifischen Flächenelemente (FZ)) ermittelt wird, welche einer Fäche (ZA) einer Anode, einer Fläche (ZD) eines Zylinderdeckels, einer Fläche (ZB) eines Zylinderbodens und/oder einer Fläche (ZW) einer Zylinderwand entsprechen. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

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 elektrische Gesamtleitwert LG des ionisierten Brenngases (A, F) ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeder brennraumspezifisch erfasste Korrekturparameter (LGn, L'Gn) als Korrekturfunktion gespeichert wird. Verfahren nach einem der Anspruche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass anhand eines aktuell erfassten Kurbelwinkels (KW) ein gespeicherter brennraumspezifischer Kontrollparameter (LGn, L'Gn) ausgelesen und dieser mit dem aktuellen Ionisationssignal (IS) zu dessen Korrektur verrechnet wird. Vorrichtung zur Bestimmung mindestens einer Verbrennungsgröße (&lgr;) 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 einem die dynamische Änderung der Brennraumgeometrie (Zn) berücksichtigenden Korrekturparametersatz (LGn, L'Gn), welcher einem inversen Verlauf (K'G) eines zeit- oder winkelabhängigen elektrischen Leitwerts (LG) eines im Brennraum (2) ionisierten Brenngases (A, F) entspricht, und einen Verrechnungbaustein (VG) zur Verknüpfung eines aktuell erfassten Ionisationssignals (IS) mit einem anhand eines aktuell erfassten Kurbelwinkels (KW) aus dem Korrekturregister (KR) ausgelesenen brennraumspezifischen Korrekturparamtersatz (L'Gn). Vorrichtung nach Anspruch 7, 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). Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch einen dem Verrechnungsbaustein (VG) nachgeschalteten Auswertebaustein (AW) zur Bestimmung brennraumspezifischer Verbrennungsgrößen (&lgr;) aus einem im Verrechnungsbaustein (VG) ermittelten korrigierten Ionisationssignal (I'S).






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com