DE19735454A1 - Verfahren zur Bestimmung einer Betriebsgröße eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Bestimmung ei­ ner Betriebsgröße eines Verbrennungsmotors.

Das Kraftstoff-Luft-Verhältnis eines Ottomotors muß bei Verwen­ dung von Katalysatoren für die Abgasnachbehandlung konstant auf dem Wert λ = 1 gehalten werden. Zu diesem Zwecke wird das Kraftstoff-Luft-Verhältnis im Abgas über Lambda-Sonden gemes­ sen.

Ionenstrommessungen an Zündkerzen eines Verbrennungsmotors sind bekannt. Herkömmlicherweise werden derartige Messungen zur Er­ kennung von Zündaussetzern und klopfendem Motorbetrieb verwen­ det.

Aus der DE 35 06 114 A1 ist ein Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine mit Erfassung von Ionenströmen bekannt. Hierbei wird in Abhängigkeit von dem ermittelten Ionenstrom ein Meßspektrum berechnet und mit einem Bezugsspektrum auf einer Recheneinheit verglichen, worauf in Abhängigkeit der ermittel­ ten Abweichung eine Stellgröße der Brennkraftmaschine gesteuert wird.

Aus der DE 40 37 943 A1 ist es bekannt, mittels einer Ionen­ strommessung den Betriebszustand einer Brennkraftmaschine zu steuern. Gegenstand dieser Druckschrift ist jedoch die Vermei­ dung von Glühzündungen bzw. Motorklopfen.

Ferner ist aus der DE 42 39 592 A1 ein Klopfdetektor für eine Brennkraftmaschine bekannt, welche den Ionenstrom über eine Zündspule zur Zeit der Verbrennung erfaßt, und beurteilt ob oder ob nicht der Ionenstrom oberhalb eines vorbestimmten Pe­ gels nach einer vorbestimmten Zeit oder einem Kurbelwinkel seit der Zündung liegt. Diese Vorrichtung wird ausschließlich zur Feststellung eines Klopfens verwendet.

Es ist ferner bekannt,aus der Amplitude des Ionenstromsignals ein Kraftstoff-Luft-Verhältnis eines Verbrennungsmotors zu er­ mitteln. Hierbei stellt man jedoch fest, daß das Ionenstromsig­ nal starken zyklischen Schwankungen unterworfen ist, so daß ei­ ne Mittelung der Ionenstrommaxima über eine große Anzahl von Zyklen durchgeführt werden muß, um die erforderliche Genauig­ keit der Lambda-Messung zu erzielen. Aufgrund der hierdurch entstehenden Fehler im instationären Betrieb sind Verfahren dieser Art nicht serientauglich. Ferner ist die Ionenstrom­ amplitude von der verwendeten Kraftstoffsorte abhängig, so daß zur Bestimmung des tatsächlichen Lambda-Wertes eine Erkennung der Kraftstoffsorte notwendig ist.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines Verfahrens zur Bestimmung einer Betriebsgröße eines Verbrennungsmotors, mit dem diese in einfacher Weise zuverlässig ermittelt werden kann.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung einer Betriebsgröße eines Verbrennungsmotors gemäß dem Patent­ anspruch 1 oder dem Patentanspruch 2.

Mit den erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, die einzu­ stellenden Betriebsgrößen eines Verbrennungsmotors über relativ kurze Zyklen mit ausreichender Genauigkeit zu ermitteln. Erfin­ dungsgemäß wird eine Messung einer Anzahl von Zyklen des Ionen­ stromsignals in Abhängigkeit von der Zeit durchgeführt. Durch Mittelung dieser Messungen können Störeinflüsse, insbesondere Nebenmaxima im Ionenstromsignal, eliminiert und das eigentliche Hauptmaximum und/oder der Zeitpunkt des Auftretens des Hauptma­ ximums bestimmt werden. Auf der Grundlage dieser Daten lassen sich die jeweiligen Betriebsgrößen in einfacher Weise ermit­ teln. Es ist insbesondere eine Lambda-Erkennung während eines Kaltstarts möglich. Ein Verschleiß oder eine Alterung des Sen­ sors, wie sie bei herkömmlichen Lambda-Sonden auftraten, können ausgeschlossen werden. Mit den erfindungsgemäßen Verfahren ist eine zyklusaufgelöste Bestimmung der genannten Betriebsgrö­ ße möglich. Ferner ist eine Ermittlung der genannten Betriebs­ größen auch im Magerbetrieb des Motors möglich.

Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprü­ che.

Zweckmäßigerweise handelt es sich bei der zu bestimmenden Be­ triebsgröße um das Kraftstoff-Luft-Verhältnis λ (Lambda-Ver­ hältnis) des Verbrennungsmotors. Es wurde festgestellt, daß die Zeit bis zum Erreichen des ersten Maximums I1max des Ionen­ stroms nicht von der Ionisierbarkeit des Kraftstoffs, d. h. der Art des Kraftstoffs, sondern nur von der turbulenten Brennge­ schwindigkeit abhängt. Die turbulente Brenngeschwindigkeit ist ihrerseits abhängig von der laminaren Brenngeschwindigkeit und der Turbulenzintensität. Die laminare Brenngeschwindigkeit wird bestimmt durch das Kraftstoff-Luft-Verhältnis λ, den Restgasan­ teil, sowie Temperatur und Druck des Gemisches im Zylinder. Da aus Ansaugdruck und Zündzeitpunkt die Temperatur und der Druck bekannt sind, kann daher bei bekannter Abgasrückführrate das Kraftstoff-Luft-Verhältnis λ ermittelt werden.

Es ist ebenfalls möglich, unter Berücksichtigung der oben er­ läuterten Abhängigkeiten bei bekannten Kraftstoff-Luft- Verhältnis die Abgasrückführrate zu bestimmen.

Es ist bevorzugt, die erfindungsgemäßen Messungen an verschie­ denen Zylindern bzw. Zündkerzen durchzuführen. Hierdurch ist eine zylinderselektive Lambda-Erkennung bei Mehrzylindermotoren in einfacher Weise durchführbar.

Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung im ein­ zelnen erläutert. In dieser zeigt

Fig. 1 den typischen Verlauf eines Ionenstromsignals, und

Fig. 2 ein Blockschaltbild zur Erläuterung der erfindungsgemä­ ßen Verfahren.

Wie in Fig. 1 dargestellt, besitzt ein Ionenstromsignal an der Zündkerze einen charakteristischen Verlauf, der zwei wesentli­ che Maxima enthält. Das erste Maximum I1max entsteht in der Flammkernbildungsphase, in der die Flamme noch im Bereich der Zündkerze ist. Idealerweise breitet sich die Flamme kugelförmig im Brennraum aus. Strömungen an der Zündkerze und vor allem Turbulenzeinflüsse auf den Flammkern führen jedoch zu einer Zerklüftung der Flamme. Das erste Maximum I1max des Ionenstrom­ signals ist daher nicht glatt, sondern besitzt mehrere Nebenma­ xima. Für eine Auswertung des ersten Maximums im Ionenstromsi­ gnal ist es somit erforderlich, eine Mittelung über mehrere Zy­ klen bzw. über eine Anzahl von Zündungen durchzuführen. Her­ kömmlicherweise wurde hierzu für jedes Ionenstromsignal, d. h. bei jeder Zündung, das absolute Maximum ermittelt. Von den so ermittelten Werten wurde der Mittelwert gebildet. Wegen der großen Schwankungsbreite der absoluten Maxima muß hierbei die Mittelung der Ionenstrommaxima über eine sehr große Anzahl von Zyklen durchgeführt werden, um die geforderte Genauigkeit der Lambda-Messung zu erreichen.

Erfindungsgemäß wird nun der Verlauf des Ionenstromsignals in Abhängigkeit von der Zeit über den gesamten Bereich des ersten Maximums ermittelt. Die für mehrere Zündungen derart ermittel­ ten Signalverläufe werden anschließend gemittelt, wodurch sich geglätteter, die Nebenmaxima eliminierender Signalverlauf ergibt, aus dem eine gemittelte maximale Amplitude bzw. der Zeitpunkt der gemittelten maximalen Amplitude in einfacher Wei­ se ablesbar ist. Mit diesem Verfahren kann die für eine ausrei­ chende Genauigkeit notwendige Zyklenzahl gegenüber den herkömm­ lichen Verfahren stark vermindert werden. Es wird davon ausge­ gangen, daß sich genügende Genauigkeiten der Lambda-Erkennung schon bei einer Mittelung über 5 bis 20 Zyklen erreichen las­ sen.

Es wurde festgestellt, daß der Zeitpunkt der gemittelten maxi­ malen Amplitude t1max für die Bestimmung des Kraftstoff-Luft- Verhältnisses bzw. der Abgasrückführrate ein geeigneter Parame­ ter ist, anhand dessen ausreichende Genauigkeiten für eine ef­ fektive Steuerung des Verbrennungsmotors erzielbar sind.

Wie bereits erläutert, hängt die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Flamme, und damit die Zeit zwischen Zündung und Erreichen des ersten Maximums t1max von der turbulenten Brenngeschwindig­ keit ab. Es ist, wie erläutert, aus t1max bei bekannter Abgas­ rückführrate eine Bestimmung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses, oder bei bekanntem Kraftstoff-Luft-Verhältnis eine Bestimmung der Abgasrückführrate möglich.

Die Zeit t1max bis zum Erreichen des ersten Maximums im Ionen­ strom ist hingegen von der Ionisierbarkeit des Kraftstoffes, welche von der Kraftstoffqualität bzw. Kraftstoffadditiven be­ einflußt wird, unabhängig. Die Amplitude des ersten Maximums I1max des Ionenstroms hängt jedoch nicht nur vom Kraftfstoff- Luft-Verhältnis, sondern aufgrund unterschiedlicher Ionisier­ barkeiten verschiedener Kraftstoffe auch von der Kraftstoffqua­ lität und Kraftstoffadditiven ab.

Obwohl es ausreichend ist, zur Bestimmung der genannten Be­ triebsgrößen den Zeitpunkt des gemittelten Signalmaximums fest­ zustellen, erweist es sich als vorteilhaft, gleichzeitig auch den tatsächlichen Wert des Maximums zu berechnen. Dieser Ampli­ tudenwert ist zwar, wie erläutert, abhängig von dem verwendeten Kraftstoff, doch kann unter Berücksichtigung der maximalen Amplitude als auch des Zeitpunkts der maximalen Amplitude eine Steigung des Ionenstromsignalverlaufs berechnet werden, aus welcher in besonders einfacher Weise, insbesondere bei bekann­ tem Kraftstoff, das Kraftstoff-Luft-Verhältnis bzw. die Abgas­ rückführrate berechnet werden kann. Auf der Grundlage des Si­ gnalmaximums bzw. des maximalen Amplitudenwertes läßt sich, insbesondere unter Berücksichtigung der ermittelten Steigung des Ionenstromsignals, auch die Kraftstoffqualität ermitteln. Bei bekannter Kraftstoffqualität ist es auch möglich, lediglich aufgrund des Signalmaximums des gemittelten Signalverlaufs die gewünschten Betriebsgrößen zu ermitteln.

Gemäß dem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren wird für eine Anzahl von Zündungen jeweils der Zeitpunkt des Maximalwerts des Ionenstromsignals bestimmt. Anschließend erfolgt eine Mittelung der für die jeweiligen Maxima ermittelten Zeitpunkte zum Erhalt eines gemittelten Zeitpunktes. Auf der Grundlage dieses gemit­ telten Zeitpunktes ist es, wie oben bereits erläutert, möglich, die fraglichen Betriebsgrößen mit ausreichender Genauigkeit zu bestimmen. Auch durch dieses Verfahren lassen sich ausreichende Genauigkeiten der Betriebsgrößen erreichen.

Es sei angemerkt, daß das im dargestellten Ionenstromsignal auftretende zweite Maximum I2max durch eine Druckerhöhung im Zylinder aufgrund der Verbrennung entsteht. Die Flamme hat sich hierbei von der Zündkerze gelöst, und die elektrische Leitfä­ higkeit entsteht durch die Restionisierung des verbrannten Ge­ mischs. Das zweite Maximum im Ionenstromsignal ist glatt, da der Einfluß der Flammenentfaltung nicht mehr an der Zündkerze wirksam ist. Das zweite Maximum I2max spielt jedoch im vorlie­ genden Zusammenhang zur Bestimmung des Kraftstoff-Luft- Verhältnisses bzw. der übrigen genannten Betriebsgrößen keine Rolle.

Eine Ausführungsmöglichkeit der erfindungsgemäßen Verfahren ist Fig. 2 dargestellt. Hierbei wird das Ionenstromsignal über einen Analog-Digital-Wandlerr AD zeilenweise in einen Zwischen­ speicher Z geladen. Bei dem Zwischenspeicher handelt es sich vorzugsweise um einen dynamischen Zwischenspeicher mit Schiebe­ registerfunktion für die jeweiligen Ionenstromsignale In-In-k. Der Zwischenspeicher besteht aus insgesamt k Zeilen mit first- in-first-out-Funktion (FIFO), in denen Ionenstromsignale abge­ speichert sind. Bevor das n-te Ionenstromsignal eingelesen wird, sind die zuvor eingelesenen Ionenstromsignale um eine Zeile verschoben worden. Nach dem Einlesen des aktuellen Ionen­ stromsignals wird spaltenweise ein gemitteltes Ionenstromsignal über k Zeilen berechnet. Dies ergibt das gemittelte Ionenstrom­ signal der letzten k Zyklen. Aus diesem gemittelten Ionenstrom­ signal erfolgt die Berechnung des Maximums I1max bzw. des Zeit­ punkts dieses Maximums, t1max.

Claims (5)

1. Verfahren zur Bestimmung einer Betriebsgröße eines Verbren­ nungsmotors mit folgenden Schritten:

• - Messung eines Ionenstromsignalverlaufs an einer Zündkerze des Verbrennungsmotors für eine Anzahl von Zündungen jeweils in Ab­ hängigkeit von der Zeit,
• - Mittelung der jeweils gemessenen Signalverläufe zum Erhalt eines gemittelten Signalverlaufs,
• - Ermittlung des Maximums und/oder des Zeitpunkts des Maximums des gemittelten Signalverlaufs,
• - Berechnung der Betriebsgröße auf der Grundlage des Maximums und/oder des Zeitpunkts des Maximums des gemittelten Signalver­ laufs.

2. Verfahren zur Bestimmung einer Betriebsgröße eines Verbren­ nungsmotors mit folgenden Schritten:

• - Bestimmung des Zeitpunkts des Maximums eines Ionenstromsi­ gnals an einer Zündkerze des Verbrennungsmotors für eine Anzahl Zündungen,
• - Mittelung der ermittelten Zeitpunkte zum Erhalt eines gemit­ telten Zeitpunktes,
• - Berechnung der Betriebsgröße auf der Grundlage des gemittel­ ten Zeitpunktes.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zu bestimmende Betriebsgröße das Kraftstoff-Luft- Verhältnis λ des Verbrennungsmotors ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zu bestimmende Betriebsgröße die Abgasrück­ führrate des Verbrennungsmotors ist.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Messungen an verschiedenen Zündkerzen bzw. Zylindern durchgeführt werden.