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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung der Abgasrezirkulationsrate
im Brennraum eines Verbrennungsmotors, bei dem ein während der
Verbrennungsdauer eines Verbrennungsvorgangs im Brennraum infolge
eines Prüfimpulses
erzeugtes Ionisationssignal erfasst wird.
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Insbesondere
bei direkt einspritzenden Ottomotoren ist die Wirkung einer externen
oder internen Abgasrezirkulation auf die Senkung der Stickoxid-Emissionen
bekannt. Diese Senkung der NOx-Emission
beruht auf einer Absenkung der Verbrennungstemperatur, die durch
die hohe spezifische Wärmekapazität von Kohlendioxid-
und Wasseranteilen im Verbrennungsabgas hervorgerufen wird. So kann
bei einer Abgasrückführrate von
16% die Stickoxid-Emission auf eine NOx-Konzentration < 250 ppm reduziert
werden. Die interne Abgasrezirkulation wird beispielsweise durch
eine Ventilüberschneidung
der Einlaß-
und Auslaßventile
eines Verbrennungsmotors einer Brennkraftmaschine motorintern aufgebaut,
wobei das Abgas benachbarten Brennräumen entstammt. Demgegenüber wird
die externe Abgasrezirkulation mit einem Abgasrezirkulationsventil
realisiert.
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Mittels
eines beispielsweise aus der
DE 196 14 388 C1 bekannten Verfahrens zur
Regelung des Verbrennungsvorgangs eines Luft-Kraftstoff-Gemisches
in einem Verbrennungsmotor anhand eines während einer Verbrennungsphase
oder eines Verbrennungsvorgangs erfassten Ionisationssignals sind
Aussagen über
charakteristische Verbrennungsgrößen möglich. Hierzu
gehört
insbesondere das Verhältnis
von Luft zu Brenn- oder Kraftstoff (A/F) bzw. die Luftzahl Lambda
(λ).
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Bei
diesem Verfahren wird während
des Verbrennungsvorgangs zeitlich versetzt zu dem die Verbrennung
einleitenden Zündimpuls
ein elektrischer Prüf-
oder Spannungsimpuls an die Zündkerze
des jeweiligen Brennraumes des Verbren nungsmotors 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.
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Erkanntermaßen tritt
bei der Abgasrezirkulation (AGR) mit steigender Rezirkulationsrate
eine zunehmende Verschleppung der Verbrennung, d.h. eine Verschiebung
des Ionisationsverlaufes in Richtung größerer Kurbelwellenwinkel und
damit einer späteren
Verbrennung auf. Diese wirkt sich bei einer einen bestimmten Wert überschreitenden
Abgasrezirkulationsrate ungünstig
auf das Zündverhalten
und die Brenngeschwindigkeit aus. Außerdem sind zunehmend Schwankungen
des maximalen Verbrennungsdrucks beobachtet worden, die die Motorleistung
der Brennkraftmaschine und deren Effizienz reduzieren.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes
Verfahren zur Bestimmung der Abgasrezirkulationsrate eines Verbrennungsmotors
oder einer Brennkraftmaschine anzugeben. Insbesondere soll die Bestimmung
der rezirkulierenden Rate des Abgases zylinderselektiv im Verhältnis zur
Frischgasmenge, d. h. zur Menge des zugeführten Luft-Brenn- oder Kraftstoffgemisches
ermöglicht
werden.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
die Merkmale des Anspruchs 1. Dazu werden bei vorhandener Abgasrezirkulation
der aktuelle Verlauf des Ionisationssignals und dessen Maximalwert detektiert.
Durch diesen Maximalwert wird ein den Verlauf eines Ionisationssignals
ohne Abgasrezirkulation repräsentierender
oder abbildender Referenzverlauf gefegt. Aus dem Grad der Abweichung
des aktuellen Verlaufs des Ionisationssignals vom Referenzverlauf
kann die Rate der Abgasrezirkulation bestimmt werden. Mit anderen
Worten: Der Grad der Abweichung des aktuellen Verlaufs vom Referenzverlauf
wird als Maß für die Abgasrezirkulationsrate herangezogen.
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In
zweckmäßiger Weiterbildung
werden ab dem Zeitpunkt des Überschreitens
eines Referenzwertes des Referenzverlaufs durch den zu diesem Zeitpunkt
aktuellen Ionisationswert die Flächeninhalte
der Verlaufskurven ermittelt und deren Verhältnis gebildet. Dazu werden
vorteilhafterweise während vorgebbarer
Zeitintervalle innerhalb der Verbrennungsdauer die Differenz einzelner
Flächenanteile der
Verlaufskurven ermittelt und die Flächenanteile summiert. Dabei
wird zweckmäßigerweise
aus den innerhalb der vorgebbaren Zeitintervalle über die Verbrennungsdauer
ermittelten und aufsummierten Flächendifferenzen
der Verlaufskurven der Flächeninhalt
zwischen den Verlaufskurven ermittelt. Die Aufsummierung der Flächeninhalte
erfolgt zweckmäßigerweise
solange, bis der Referenzwert des Referenzverlaufes gleich Null
ist.
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Unter
Berücksichtigung
der Erkenntnis, dass der Verlauf des Ionisationssignals mit höher werdender
Abgasrezirkulationsrate zunehmend vom Ionisationssignal ohne Abgasrezirkulation
abweicht, kann bereits aus der Größe der Abweichung des Flächeninhalts
gegenüber
dem unter dem Ionisationssignal ohne Abgasrezirkulation gebildeten
Flächeninhalt
auf die Rate der Abgasrezirkulation geschlossen werden. Daher wird
in einfacher Weise während
der Verbrennungsdauer der Flächeninhalt
zwischen dem Verlauf des aktuellen Ionisationssignals und dem Referenzverlauf
bestimmt. Aus dem Verhältnis
zwischen diesem Flächeninhalt
und dem Flächeninhalt des
ein Ionisationssignal ohne Abgasrezirkulation repräsentierenden
Referenzverlaufs wird dann auf die Höhe der Abgasrezirkulation zumindest
quantitativ geschlossen, d.h. ob es sich beispielsweise um eine hohe,
eine mittlere oder eine niedrige Abgasrezirkulationsrate handelt.
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Alternativ
wird ab dem Zeitpunkt des Maximalwertes des aktuellen Ionisationssignals
der Mittelwert des Ionisationsverlaufes bestimmt. Aus dem Verhältnis zwischen
diesem Mittelwert und dem Maximalwert des Ionisationsverlaufs kann
dann in einfacher Art und Weise die Rate der Abgasrezirkulation wiederum
zumindest quantitativ bestimmt werden. Dieses Verhältnis wird
dann als Maß für die Abgasrezirkulationsrate
herangezogen. Um hierbei ein geeignetes Zeitfenster oder Zeitintervall
für die
Mittelwertbildung festzulegen, wird zweckmäßigerweise der Mittelwert solange
gebildet, bis der Referenzwert des oder eines den gleichen Maximalwert
aufweisenden Referenzverlaufs des Ionisationssignals ohne Abgasrezirkulation
gleich Null ist.
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Nachfolgend
werden ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 schematisch
ein Schaltbild zur Erzeugung und Auswertung eines Ionisationssignals,
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2 in
einem Spannungs-Zeit-Diagramm den Verlauf des Ionisationssignals
infolge eines Prüf- oder
Spannungsimpulses während
eines den Arbeitstakt eines Verbrennungsmotors charakterisierenden
Verbrennungsvorgangs,
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3 in
einem Diagramm gemäß 1 unterschiedliche
Kurvenverläufe
von Ionisationssignalen bei verschieden hohen Abgasrezirkulationsraten, und
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4 in
einem Diagramm gemäß 2 einen
aktuellen Ionisationsverlauf und einen zugehörigen Referenzverlauf.
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Einander
entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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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
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.
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2 zeigt
in einem Spannungs-Zeit-Diagramm den Zündimpuls Z und den zeitlich
diesem nachfolgenden, vorzugsweise rechteckförmigen, strichliniert dargestellten
Spannungsimpuls P. Während
die Zündspannung
des Zündimpulses
Z zum Zeitpunkt t0 etwa 15kV beträgt, liegt
die Amplitude U0 des rechteckförmigen Spannungsimpulses
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.
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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 Ohm'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 Ionisationssignals 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 des Spannungsimpulses P im Zeitintervall Δt ergebende
zeitabhängige
Verlauf der Messspannung Um wird über den
Messwiderstand Rm in einer Auswerteschaltung 11 erfasst.
Gleichzeitig ist der zwischen dem Impulsgenerator 7 und
dem Messwiderstand Rm abgegriffene rechteckförmige Spannungsimpuls
P ebenfalls an die Auswerteschaltung 11 geführt.
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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 verbin dende
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
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.
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Die
Spannungshöhe
oder -amplitude U0 des Spannungsimpulses
P ist an den strichliniert angedeuteten elektrischen Widerstand
RI der innerhalb des Brennraums 2 gebildeten
Ionisationsstrecke angepasst. Dabei ist die Spannungsamplitude U0 des Spannungsimpulses 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.
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Der
sich durch diese Ionisationsmessung ergebende zeitliche Verlauf
des Ionisationssignals IS ist in 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 RI entsprechende Leitwert
des ionisierten Brenngases ist (L = RI –1).
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Bei
einer aktuellen Ionisationsmessung während des Zeitintervalls Δt 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 der Spannungsimpuls
P gelegt.
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Die
Auswerteschaltung oder -einrichtung 11 vergleicht den jeweiligen
Ist-Wert des Ionisationsssignals IS mit
dem voreingestellten elektrischen Sollwert SL und
be rechnet 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 Spannungsimpulse P zeitlich nacheinander an weitere vorhandene
Brennräume 2 des
Verbrennungsmotors 1 gelegt.
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3 veranschaulicht
die Abhängigkeit
des Verlaufs des Ionisationssignals IS vom
Vorhandensein einer Abgasrezirkulation (AGR). Dabei repräsentiert
der zeitliche Verlauf des Ionisationssignals IS einen
ungestörten
Verbrennungszyklus ohne Abgasrezirkulation. Das Ionisationssignal
ISm repräsentiert
den zeitlichen Verlauf bei einer mittleren Abgasrezirkulationsrate,
während
das Ionisationssignal ISh den typischen
Verlauf bei einer hohen Abgasrezirkulationrate darstellt. Erkennbar
ist, dass sich mit steigender Abgasrezirkulation der zeitliche Verlauf der
Ionisationssignale IS dergestalt verändert, dass am
Ende eines Verbrennungszyklus, d. h. zum Zeitpunkt te nach
Ablauf der Verbrennungsdauer eine mit steigender Abgasrückführungsrate
zunehmende Restionisation meßbar
ist, die auch schwanken kann. Die gestrichelten Linien in 3 stellen
Mittelwerte MS = MR,
MSm und MSh der
typischen Ionisationsverläufe
IS, ISm bzw. ISh dar.
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Zur
Bestimmung der Abgasrezirkulationsrate im jeweils betrachteten Brennraum 2 ist
in 4 beispielhaft der eine vergleichsweise hohe Abgasrezirkulation
repräsentierende
Verlauf des Ionisationssignals ISh herangezogen.
Dieses Ionisationssignal ISh ist der aktuelle
Verlauf der zunächst
während
der Verbrennung zyklisch gemessenen Ionisation über die Verbrennungsdauer t.
Anschließend
wird der Maximalwert Um der Ionisation bzw.
des Ionisationssignals ISh detektiert. Durch
diesen Maximalwert Um wird eine Referenzkurve
IR gelegt, deren Verlauf dem zweckmäßigerweise
idealisierten Ionisationssignal IS ohne Abgasrezirkulation
entspricht oder diesem angenähert
ist.
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Ab
dem Zeitpunkt t1, ab dem der nachfolgend aktuell
gemessene Ionisationswert Ua des Ionisationssignals
ISh größer ist
als der Referenzwert UR des Referenzverlaufs
IR, wird der Flächeninhalt b im Zeitintervall
dt = tn – tn–1 durch
Bildung der Differenz zwischen dem Flächeninhalt oder Flächenanteil
unter dem Kurvenverlauf des Ionisationssignals ISh und dem
Flächeninhalt
bzw. Flächenanteil
unter der Kurve des Referenzverlaufs IR ermittelt.
Dabei gilt als Voraussetzung oder Einschränkung, dass der Wert Ua des Ionisationssignals ISh größer ist
als der Wert UR des Referenzverlaufs IR zu demselben Zeitpunkt t0 (Ua(tn) > UR(tn)).
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Die
auf diese Weise ermittelten Flächenanteile
b innerhalb folgender Zeitintervalle dt = tn+1 – tn werden zum Flächeninhalt B zwischen dem Kurvenverlauf
des gemessenen Ionisationssignals ISh und dem
Referenzverlauf IR aufsummiert. Anschließend werden
der Flächeninhalt
A unter der Referenzkurve oder dem Reverenzverlauf IR und
der ermittelte Flächeninhalt
B zwischen dem Verlauf des gemessenen Ionisationssignals ISh und dem Reverenzverlauf IR zueinander
ins Verhältnis
gesetzt. Mit steigender Abgasrezirkulationsrate erhöht oder
vergrößert sich
der Flächeninhalt
oder Flächenanteil
B im Vergleich zum Flächeninhalt
bzw. Flächenanteil
A. Das Verhältnis der
Flächeninhalte
oder -anteile A/B ist somit ein Maß für die Abgasrezirkulationsrate
in diesem Brennraum 2.
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Der
Anstieg des Flächenanteils
B mit steigender Abgasrezirkulationsrate wird deutlich bei Betrachtung
der unterschiedlichen Verläufe
des Ionisationssignals ISm bei mittlerer
Abgasrezirkulation im Vergleich zum Ionisationssignal ISh einer
hohen Abgasrezirkulation. Erkennbar ist hierbei, dass der Flächeninhalt
zwischen dem Verlauf des Ionisationssignals Is ohne
Abgasrezirkulation und dem Verlauf des Ionisationssignals ISm kleiner ist als der Flächeninhalt zwischen dem Verlauf
des Ionisationssignals IS und dem Verlauf
des Ionisationssignals ISh mit hoher Abgasrezirkulation.
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Der
Vergleich der Kurvenverläufe
des aktuell gemessenen Ionisationssignals ISh oder
ISm mit dem Referenzverlauf IR unter
Berücksichtigung
des jeweils gleichen Maximalwertes Um erfolgt
zweckmäßigerweise
in der Auswerteschaltung oder Auswerteeinrichtung 11. Diese
weist hierzu vorzugsweise einen entsprechenden Prozessor oder μ-Controller auf,
der die beschriebenen Kurvenvergleiche, Auswertungen und Berechnungen
nach einem entsprechenden Algorithmus ausführt.
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Um
den hierfür
erforderlichen Rechen- und Speicheraufwand zu verringern, kann auch
ein alternatives Verfahren durchgeführt werden. Hierzu wird zunächst wiederum
der aktuelle Verlauf des Ionisationssignals ISh oder
ISm bei einer Abgasrezirkulation gemessen.
Auch wird wiederum der Maximalwert Um dieses
Signals ISh bzw. ISm ermittelt.
Zudem wird der Zeitpunkt tm dieses Maximalwertes
Um erfasst. Ab diesem Zeitpunkt tm wird der Mittelwert MSh bzw.
MSm ermittelt.
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Wie
aus 3 ersichtlich ist, verschiebt sich dieser Mittelwert
MS, MSm, MSh mit zunehmender Abgasrezirkulationsrate
hin zu höheren
Werten. So ist der Mittelwert Ms des Ionisationssignals IS ohne Abgasrezirkulation – oder auch
der Mittelwert MR eines entsprechenden Referenzsignals
IR – kleiner
als der Mittelwert MSm einer mittleren Abgasrezirkulationsrate.
Dieser Mittelwert MSm ist wiederum kleiner
als der Mittelwert MSh eines aktuell gemessenen
Ionisationssignals ISh bei vergleichsweiser
hoher Abgasrezirkulation. Das Verhältnis MSm/Um oder MSh/Um dieses Mittelwertes MSm bzw.
MSh zum jeweiligen Maximalwert Um ist wiederum ein Maß für die Abgasrezirkulationsrate.
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- 1
- Verbrennungsmotor
- 2
- Brennraum/Zylinder
- 3
- Zylinderkolben
- 4
- Zündkerze
- 5
- Zündeinheit
- 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
- IS
- Ionisationssignal
- IR
- Referenzverlauf
- M
- Mittelwert
- P
- Prüf-/Spannungsimpuls
- Sn
- Stellgröße
- Um
- Maximalwert
- Z
- Zündimpuls