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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 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.
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Aus der
DE 199 12 895 A1 geht ein Verfahren zur Überwachung eines Abgasrückführungssystems hervor. Hierzu wird der aktuelle Verlauf des Ionisationssignals mit Referenzwerten verglichen. Diese Referenzwerte werden bei verschiedenen Restgasmengen erhalten. Der aktuelle Verlauf des Ionisationssignals und dessen Maximalwert wird mit einem Referenzverlauf ohne Abgasrezirkulation verglichen.
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Die
DE 199 16 204 C1 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung der Abgasrezirkulationsrate im Brennraum eines Verbrennungsmotors, bei dem ein Ionisationssignal erfasst wird, das während der Verbrennungsdauer eines Verbrennungsvorgangs im Brennraum infolge eines Prüfimpulses erzeugt wird. Dabei wird der Mittelwert des Ionisationsverlaufs bestimmt und dieser Mittelwert als Maß für die Abgasrezirkulationsrate herangezogen.
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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 gelegt. 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 15 kV beträgt, liegt die Amplitude U0 des rechteckförmigen Spannungsimpulses P zwischen 100 V und 1000 V. 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 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 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 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 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 tn(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.