DE3933947C1 - Combustion pressure determn. method for petrol-diesel engine - using acceleration sensors fitted at crankshaft bearings of engine in cylinder axial direction - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen des Ver­ brennungsdrucks in Hubkolbenmotoren, d.h. Otto- und Dieselmotoren, und ist insbesondere auf ein Verfahren gerichtet, das die Gewinnung von Eingangsgrößen für Regelsysteme des Motors gestattet und die Feststellung einer klopfenden Verbrennung speziell in Ottomotoren gewährleistet.

Der Verbrennungsdruck kann unabhängig vom Motortyp auf unterschiedlichste Arten bestimmt werden. So werden z.B. auf der Grundlage des Piezoeffekts arbeitende Druckauf­ nehmer unmittelbar dem Verbrennungsdruck und den Tempera­ turschwankungen im Verbrennungsraum ausgesetzt. Bei dieser direkten Druckmessung bestehen jedoch die folgenden Nachteile:

• 1. Man benötigt für jeden Zylinder eine Sensoreinrichtung.
• 2. Im Fall der üblicherweise eingesetzten Piezodruckauf­ nehmer ist eine für deren Signalerfassung und -auswertung aufwendige Meß- und Auswerteanordnung nötig.
• 3. Die lokale Applizierung der Druckaufnehmer ist schwer zu realisieren und erfordert einen hohen Zeitaufwand.
• 4. Die Langzeitkonstanz der Druckaufnehmer ist schlecht und ihr längerfristiger Einsatz ist kaum möglich.

Diese Nachteile bedingen, daß die direkte Druckmessung mit hohem technischen und auch Kostenaufwand sich im Grunde nur für die Erprobung der Motoren auf dem Prüfstand eignet, jedoch für eine Anwendung im Fahrzeug praktisch ausscheidet.

In der DE 38 33 124 A1 ist zwar vorgeschlagen, zur Steuerung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses oder des Zündzeitpunktes bei Ottomotoren im Fahrzeug u.a. den maximalen Zylinderinnendruck mit Hilfe eines piezoelek­ trischen Elements zu messen, welches durch Festziehen einer Zündkerze in einem Zylinderkopf eingesetzt ist. Jedoch treffen auch auf diese Lösung die oben aufgezählten Probleme zu.

Dies gilt auch für die in der DE 39 05 498 A1 vorge­ schlagene Lösung, eine klopfende Verbrennung mit einem zwischen zumindest einem Zylinder und einer Zündkerze befestigten piezoelektischen Druckaufnehmer festzustellen. Durch diese Messung werden zudem im einer nachgeschalteten Klopfdetektorschaltung zugeführten Drucksignal die bei der klopfenden Verbrennung auftretenden schnellen Innendruck­ änderungen nur andeutungsweise wiedergegeben.

Auch andere, indirekte Verfahren, wie z.B. die Messung der Kräfte in den Zylinderkopfschrauben zur Zylinderdruck­ bestimmung erfordern grundsätzlich eine Meßanordnung pro Zylinder.

Um bei Ottomotoren eine klopfende Verbrennung feststellen zu können, werden im Fahrzeug ferner üblicherweise ein oder mehrere Körperschall-Klopfsensoren verwendet, die an geeig­ neten Stellen des Motorblocks angebracht sind. Da zwischen dem Brennraum und dem jeweiligen Klopfsensor große Schalleitungswege mit unterschiedlichem Dämpfungsverhalten liegen und zudem den von der klopfenden Verbrennung herrüh­ renden Schallemissionen diverse andere mechanische Schall­ quellen überlagert sind, ist eine sichere Klopferkennung auf diese Weise jedoch schwierig.

Infolgedessen sind Fehlerkennungen wahrscheinlich, welche die Einhaltung eines deutlichen Sicherheitsabstandes zur Klopfgrenze erfordern und damit einen Wirkungsgradverlust bewirken.

Bei Dieselmotoren sind keine diesem Motortyp entsprechende Maßnahmen zur Verbrennungsdrucküberwachung im Fahrzeug­ einsatz üblich, denn aus den oben genannten Gründen scheidet eine Bestimmung des Zylinderdrucks als Kontroll­ maßnahme bisher aus. Es besteht jedoch im Hinblick auf die Regelung von Einspritzbeginn und -menge ein dringender Bedarf an Verbrennungsdruckmeßverfahren, die auch für den Einsatz im Fahrzeug geeignet sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das sowohl bei Otto- als auch bei Dieselmotoren eine zuverlässige Messung und Auswertung des Verbrennungs­ drucks gewährleistet und sich in den Fahrzeugen realisieren läßt.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Diesem liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die an den Kurbelwellenlagern auftretenden Beschleunigungen sich zeitlich entsprechend dem Verbrennungsdruck im zugehörigen Zylinder ändern und damit die indirekte Bestimmung des Verbrennungsdrucks gestatten. Wegen der guten Schalleitung im Bereich der Kurbelwellenlagerung kann sogar mit nur einem einzigen Beschleunigungssensor für sämtliche Zylinder der zeitliche Verbrennungsdruckverlauf bestimmt werden.

Diese indirekte Messung des Verbrennungsdrucks ist vorteilhaft einfach und betriebssicher, weil die an den Kurbelwellenlagern anzubringenden Beschleunigungssensoren nicht mehr direkt den Druck- und Temperaturschwankungen ausgesetzt sind. Die Sensoren sind infolgedessen leicht installier- und austauschbar, der Zugriff auf sie ist ein­ fach und ihre Lebensdauer spielt im Vergleich zu der der Motoren praktisch keine Rolle.

Darüberhinaus liefern die Beschleunigungssensoren auf einfache und reproduzierbare Weise genaue Meßwerte. Das zudem kostengünstig realisierbare Verfahren ist somit nicht mehr nur für den Prüfstand verwendbar, sondern eignet sich für den Einsatz im Fahrzeug. Dort werden die gewonnenen Meßwerte zur Regelung der Betriebsparameter und/oder zur Überwachung des Verbrennungsablaufs herangezogen bzw. ausgewertet.

Verbrennungsdruckanstieg und -spitzenwert sind aus den gemessenen Beschleunigungskurven für beide Motortypen gut ableitbar und auch die schnellen Druckänderungen im Fall der klopfenden Verbrennung beim Ottomotor werden bereits bei relativ großem Abstand zur Klopfgrenze zuverlässig wiedergegeben. Infolgedessen kann die klopfende Verbrennung eindeutig und frühzeitig festgestellt werden, so daß eine Wirkungsgradsteigerung möglich ist. Hierzu können beim Ottomotor Gemischzusammensetzung, Füllung und Zündzeitpunkt optimiert werden.

Aus den unmittelbar vorliegenden Beschleunigungswerten lassen sich durch geeignete Filterung demnach sowohl sehr hoch- als auch sehr tieffrequente Größen ableiten, so daß eine On-line-Regelung für verschiedenste Aufgaben in beiden Motortypen möglich ist.

Beim Dieselmotor sind Mengen- und Einspritzzeitpunkt­ regelung zur Wirkungsgradsteigerung und/oder zur Kompensation unterschiedlicher Kraftstoffqualitäten im On­ line-Betrieb auf der Grundlage der gemessenen Beschleuni­ gungswerte möglich. Auch eine Gemischregelung z.B. durch steuerbare Veränderung des Einspritzstrahls in Abhängigkeit vom zeitlichen Verbrennungsdruckverlauf bietet sich an.

Grundsätzlich eignet sich jedes Beschleunigungsmeßverfahren für den erfindungsgemäßen Zweck. Es empfiehlt sich die Anwendung möglichst kompakter Beschleunigungssensoren wie sie in Form von piezoelektrischen Beschleunigungsmessern bislang schon für andere Zwecke, beispielsweise zur Unter­ suchung von Fahrzeugschwingungen, eingesetzt wurden. Auf diese Weise ist eine kostengünstige Anordnung zur Durchfüh­ rung des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, wobei ledig­ lich noch die Signale der an den Wellenlagern leicht zu befestigenden Piezo-Sensoren weiterzuleiten sind. Auch Induktions- und Kapazitätsmessungen sowie die Verwendung von Dehnmeßstreifen sind prinzipiell möglich. Die Anzahl der Beschleunigungssensoren und deren Anbringung an den Kurbelwellen richtet sich nach der speziellen Auslegung des Motors und kann für jeden Typ durch die äußerst einfache Installation der Sensoren leicht optimiert werden. Vorzugs­ weise erfolgt die Aufnahme der Brennraumdruckwerte für die einzelnen Zylinder mit Hilfe eines Sensors zeitversetzt bzw. mittels eines Sensorsatzes.

Aus den zum Verbrennungsdruck proportionalen Beschleuni­ gungswerten können neben den oben erwähnten Größen beliebige andere Einstell- und Regelgrößen abgeleitet werden. Dazu gehören: Verdichtung, Ansaugluftdrosselung, Belastung des Motorgehäuses, Ansauglufttemperatur, Zusatz von Klopfbremsen und der Einsatz von Zündbeschleunigern.

Letztlich kann das erfindungsgemäße einfache, indirekte Verfahren zur Verbrennungsdruckmessung auch bei der Ver­ besserung oder Neukonzipierung der Motorbauarten und insbe­ sondere Verbrennungsraumgestaltung angewandt werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 den Verlauf des mit Piezodruckaufnehmern aufgenom­ menen Brennraumdrucks in Abhängigkeit von der Zeit und

Fig. 2 den Verlauf der erfindungsgemäß zur indirekten Bestimmung des Brennraumdrucks am Kurbelwellenlager aufge­ nommenen Beschleunigung in Abhängigkeit von der Zeit.

Um das erfindungsgemäße Verfahren zu testen, wurden u.a. an einem Ottomotor gleichzeitig eine direkte Druckmessung konventioneller Art und die erfindungsgemäße Messung der Beschleunigung am Kurbelwellenlager durchgeführt. Für die Druckmessung wurden Piezodruckaufnehmer unmittelbar dem Brennraumdruck ausgesetzt, wobei der in Fig. 1 gezeigte zeitliche Verlauf des Brennraumdrucks aus der direkten Druckmessung resultierte. Mit Hilfe eines am Kurbelwellen­ lager angebrachten piezoelektrischen Beschleunigungssensors wurden die gleichzeitig in einer Richtung auftretenden Beschleunigungswerte am Lager gemessen, deren zeitliche Variation aus Fig. 2 hervorgeht.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann demnach einerseits zur indirekten Bestimmung von Druckanstieg und -spitzenwerten bei Hubkolbenmotoren allgemein herangezogen werden und andererseits zur sicheren Feststellung der klopfenden Ver­ brennung des Ottomotors ausgenutzt werden. Aus dem ermit­ telten Druckverlauf ist dann über die weiter oben erwähnten Einstell- und Regelgrößen eine Optimierung der Betriebs­ parameter und damit auch des Wirkungsgrades möglich.

Der Sicherheitsabstand z.B. bezüglich Verdichtung und Be­ lastung kann wegen der zuverlässigen und frühzeitigen Erkennung des Klopfens beim Ottomotor verringert werden. Auch ein zu schneller Druckanstieg in einem Dieselmotor - häufig verbunden mit hoher mechanischer Belastung des Kurbeltriebs - kann festgestellt und beseitigt werden.

Die erfaßten Beschleunigungswerte sind für eine On-line- Regelung auswertbar, wobei zahlreiche Regelgrößen (Füllung, Gemisch, Einspritz- und Zündzeitpunkt usw.) aus dem druck­ proportionalen Beschleunigungsverlauf ableitbar sind. Zur Auswertung der an den Sensoren abgegriffenen Signale können diese wie z.B. im Fall einer Vergleichswertregelung bei Dieselmotoren analog verarbeitet werden. Ferner sind eine differenziertere Auswertung und Ableitung anderer Größen auch durch Digitalisierung und rechnergesteuerte Verarbei­ tung der Beschleunigungssignale möglich, um aus diesen Ein­ gangsgrößen für unterschiedliche Regelungen zu gewinnen.

Bei den durchgeführten Messungen wurden die Beschleu­ nigungssensoren vorzugsweise am Hauptlagerbügel für die Kurbelwelle angebracht. Darüberhinaus sind jedoch auch andere Befestigungspositionen am Motorgehäuse, gegebenen­ falls unter Verwendung von Angüssen, möglich. Die Beschleu­ nigungsmessung erfolgte vorzugsweise in Zylinderachsen­ richtung. Es zeigte sich jedoch, daß auch in Richtung der Kurbelwellenlängsachse gemessen werden kann.

Claims (6)

1. Verfahren zum Bestimmen des Verbrennungsdrucks in Hub­ kolbenmotoren, gekennzeichnet durch Messen der am jeweiligen Kurbelwellen­ lager des Motors auftretenden Beschleunigungen, die sich entsprechend dem Verbrennungsdruck ändern, und durch Verwenden der gemessenen Werte und deren Verlauf zur Ableitung von Eingangsgrößen für brennraumdruckabhängige Regelvorgänge und/oder zur Überwachung des Verbrennungs­ ablaufs.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigung mit Hilfe eines oder mehrerer am Kurbelwellenlager des Motors angebrachter Beschleunigungs­ sensoren vorzugsweise in Zylinderachsrichtung gemessen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Beschleunigungssensor bzw. -sensoren ein oder mehrere piezoelektrische Beschleunigungsmesser am Kurbel­ wellenlager bzw. an den Kurbelwellenlagern befestigt wird bzw. werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungsmessung zur Erkennung einer klopfen­ den Verbrennung bei einem Ottomotor mittels des einen oder der mehreren Sensoren für jeden Zylinder zeitversetzt er­ folgt und jeweils eine den Meßergebnissen angepaßte Regelung des Zündzeitpunktes vorgenommen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch Messen der Beschleunigung bei Otto- und Diesel­ motoren der zeitliche Druckanstieg und der Spitzendruck im jeweiligen Zylinder bestimmt werden und hieraus Regelgrößen zur Mengen-, Gemisch-, Füllungs-, Einspritz- und Zündzeit­ punkt-Regelung abgeleitet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß aus den gemessenen Beschleunigungswerten beim Diesel­ motor Regelgrößen zur Kompensation unterschiedlicher Kraft­ stoffqualitäten abgeleitet werden.