Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auswertung des Brennraumdrucks bei einer Brennkraftmaschine.

Es ist bekannt, den Verlauf des Brennraumdrucks in den Zylindern einer Brennkraftmaschine mit Hilfe geeigneter Sensoren zu ermitteln und aus diesem Verlauf Betriebszustände der Brennkraftmaschine zu erkennen und Ansteuersignale zur Steuerung der Brennkraftmaschine zu gewinnen. Dabei ist üblicherweise jedem Zylinder der Brennkraftmaschine ein Brennraumdrucksensor zugeordnet. Zusätzlich wird ein Kurbelwellensensor eingesetzt, der ein Ausgangssignal liefert, das repräsentativ ist für die Kurbelwellenstellung. Beide Signale werden gemeinsam im Steuergerät der Brennkraftmaschine ausgewertet. Ein Nockenwellensensor wird dabei nicht mehr benötigt, da die Synchronisation von Kurbel- und Nockenwellenstellung insbesonders nach dem Start aus der Verknüpfung des Brennraumdruckverlaufs und des Kurbelwellensensorsignals möglich ist. Ein Verfahren, bei dem der Brennraumdruckverlauf in Abhängigkeit von der Kurbelwellenstellung ausgewertet wird, zur Zylindererkennung und zur Erzeugung von für die Zündung erforderlichen Signalen ist bekannt. Die Zylindererkennung und die Erkennung, in welcher Kurbelwellenumdrehung eines Verbrennungszyklusses sich die Brennkraftmaschine befindet, wird bei dem bekannten Verfahren durchgeführt, indem beispielsweise der Druckanstieg in einem bestimmten Zylinder ausgewertet wird und unterschieden wird, zwischen Druckanstieg im Kompressionshub und Druckanstieg bei erfolgter Verbrennung. Da diese Werte unterschiedlich sind, läßt sich feststellen, in welcher Kurbelwellenumdrehung sich die Brennkraftmaschine befindet. Ausgehend von dieser Erkenntnis können Steuersignale für die Brennkraftmaschine erzeugt werden.

Bei dem bekannten Verfahren wird eine Auswertung des Brennraumdruckverlaufs zur Erkennung der Ventilsteuerzeiten, also zur Erkennung, ob das Auslaßventil sich öffnet, ob das Auslaßventil schließt, ob das Einlaßventil öffnet oder ob das Einlaßventil sich schließt, nicht durchgeführt.

In der US-A-4633707 ist eine Ermittlung der Zeitpunkte 'Einlass schliesst' und 'Auslass öffnet' über eine Druckmessung im Kalt antrieb der Brennkraftmaschine angedeutet.

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß eine genaue Analyse des Brennraumdruckverlaufs durchgeführt wird, so daß die Ventilsteuerzeiten in Bezug auf die Kurbelwellenstellung ermittelbar sind. Dazu werden kennzeichnende Ereignisse ausgewertet, aus denen eindeutig bestimmte Ventilsteuerzeiten erkannt werden können. Für die Ventilsteuerzeiten Auslaß öffnet, Auslaß schließt, Einlaß öffnet, Einlaß schließt, ergeben sich charakteristische Druckverläufe, die erfindungsgemäß in vorteilhafter Weise aus dem Brennraumdruckverlauf extrahiert werden.

Weitere Vorteile der Erfindung werden durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen erzielt. Dabei ist besonders vorteilhaft, daß verschiedene Ventilsteuerzeiten durch Erkennung der verschiedenen zugehörigen kennzeichnenden Ereignisse ermittelbar sind. Einige Ventilsteuerzeiten können auch durch eine gleichartige Auswertung des Brennraumdruckverlaufs erkannt werden. Ein Vergleich mit brennkraftmaschinentypischen abgespeicherten Kenngrößen ermöglicht motorspezifische Bestimmungen von Ventilsteuerzeiten.

Eine Weiterverarbeitung des Brennraumdrucksignales vor der weiteren Auswertung, also beispielsweise eine Differentiation oder eine Integration des Brennraumdruckverlaufs ermöglicht in vorteilhafter Weise weitere Ventilsteuerzeitermittlungen. Die Berücksichtigung zusätzlicher Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine wie beispielsweise die Berücksichtigung des Auftretens von klopfender Verbrennung und die daraus folgende zusätzliche Signalverarbeitung, beispielsweise eine Mittelwertbildung, lassen in vorteilhafter Weise auch dann noch Ventilsteuerzeiten ermitteln, wenn schwierige Bedingungen bzw. Betriebszustände der Brennkraftmaschine auftreten.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Figuren der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Im einzelnen zeigt Figur 1 eine an sich schon bekannte Einrichtung zur Erfassung des Druckverlaufs in den Zylindern einer Brennkraftmaschine. In Figur 1a sind relevante Teile der Brennkraftmaschine dargestellt. Figur 2 zeigt einen charakteristischen Brennraumdruckverlauf über dem Kurbelwellenwinkel. In Figur 3 ist ein Flußdiagramm eines erfindungsgemäßen Auswerteverfahrens dargestellt und die Figuren 4, 5 und 6 zeigen verschiedene Zusammenhänge zwischen Brennraumdruck, Brennraumvolumen und Kurbelwellenwinkel.

In Figur 1 sind die wesentlichsten Bestandteile einer Einrichtung zur Erfassung des Brennraumdrucks in jedem Zylinder einer Brennkraftmaschine dargestellt. Dabei sind in den Zylindern 10, 11, 12 und 13 einer Vierzylinderbrennkraftmaschine jeweils Zylinderdrucksensoren 14, 15, 16 und 17 angeordnet, die die Druckverläufe P1, P2, P3 und P4 ermitteln. Zusätzlich ist ein Kurbelwellensensor 18 vorhanden, der ein für die Kurbelwellenstellung α charakteristisches Ausgangssignal S1 abgibt.

Sowohl die Ausgangssignale der Zylinderdrucksensoren 14, 15, 16 und 17 als auch das Ausgangssignal des Kurbelwellensensors 18 werden dem Steuergerät 19 der Brennkraftmaschine zugeführt, das diese Signale verarbeitet. Über Eingänge 20 können dem Steuergerät weitere Signale (z.B. eine Temperatur T, eine Last L usw.)zugeführt werden, die im Steuergerät ebenfalls weiterverarbeitet werden können.

Das Steuergerät 19 umfaßt einen Multiplexer 21, über den wahlweise das Ausgangssignal der Zylinderdrucksensoren zu einem Analog/Digitalwandler 22 geführt werden. Die Umschaltung des Multiplexers 21 erfolgt kurbelwellenwinkelabhängig und wird durch entsprechende Ansteuerungen vom Steuergerät 19 ausgelöst. Die eigentliche Auswertung der Signale erfolgt in einem Mikroprozessor 23 des Steuergerätes 19, der über eine Ausgabeeinheit 23a in Abhängigkeit von den ermittelten Größen Steuersignale S2 und S3 an verschiedene Komponenten der Brennkraftmaschine, beispielsweise Zünd-/ oder Einspritzsignale abgeben kann.

Im Mikroprozessor 23 des Steuergerätes 19 erfolgt die Signalverarbeitung, anhand derer auf die Ventilsteuerzeiten geschlossen werden kann, bzw. anhand derer die Ventilsteuerzeiten ermittelt werden.

In Figur 3 ist ein Auswerteschema dargestellt, bei dem jeweils im Schritt SCH1 der Druck aus dem Sensorsignal berechnet wird. Im Schritt SCH2 wird der Kurbelwellenwinkel α eingelesen, sodaß im Schritt SCH3 der Bezug P(α) vorliegt. Im Schritt SCH4 wird der Druckverlauf ausgewertet, eventuell unter Berücksichtigung abgespeicherter Daten und im Schritt SCH5 wird auf die betreffende Ventilsteuereinheit geschlossen.

Dem Zylinder einer Brennkraftmaschine, beispielsweise dem Zylinder 10 (Fig. 1a) wird das Kraftstoff Luftgemisch durch Öffnen des Einlaßventils 24 zugeführt. Dabei wird bekanntermaßen der Kraftstoff vom Einspritzventil 25 vor das Einlaßventil 24 in das Saugrohr 26 eingespritzt und über die Zündkerze 27 gezündet. Über ein Auslaßventil 28 kann das im Zylinder erzeugte Gas ausgelassen werden. Die Ansteuerung des Einlaßventils und des Auslaßventils erfolgt in bekannter Weise mit Hilfe der nicht dargestellten Nockenwelle bzw. der Nockenwellen. Die Nockenwelle bzw. die Nockenwellen werden von der Kurbelwelle in bekannter Weise angetrieben. Die Lage der Nockenwelle bzw. der Nockenwellen bezogen auf die Kurbelwelle kann durch entsprechende Ansteuersignale S3 vom Steuergerät 19 drehzahlabhängig verändert werden. Durch die erfindungsgemäße Erfassung der Ventilsteuerzeiten in Abhängigkeit vom Kurbelwellenwinkel kann die Zuordnung zwischen Nockenwellenlage und Kurbelwellenlage bestimmt werden.

In Figur 2 ist der Verlauf des Brennraumdruckes P1 des Zylinders 10 über dem Kurbelwellenwinkel α aufgetragen. Der Zylinderdruck erreicht zwei Maximalwerte, die ein Arbeitsspiel oder 720°KW auseinander liegen. Das Maximum des Brennraumdrucks ist in dem Bereich, in dem eine Verbrennung stattfindet, höher als in dem Bereich, in dem ausschließlich eine Kompression auftritt. Eine Verbrennung findet im Beispiel nach Figur 2 in der Phase Ve statt. In der Phase Ko tritt lediglich eine Kompression auf.

Der in Figur 2 schematisch dargestellte Brennraumdruckverlauf wird erfindungsgemäß nach verschiedenen Kriterien ausgewertet, um daraus auf Ereignisse zu schließen, die kennzeichnend für die Nockenwellenlage in Bezug auf die Kurbelwellenlage und damit für die Ventilsitzsteuerzeiten sind. Ein solches Ereignis kann beispielsweise die Kurbelwellenlage, bei der das Einlaßventil schließt, sein. Andere Ventilsteuerzeiten sind die Steuerzeiten Auslaß öffnet. Einlaß öffnet, Auslaß schließt. Für jede Ventilsteuerzeit gibt es im Druckverlauf charakteristische bzw. kennzeichnende Merkmale, deren Auswertung im folgenden näher beschrieben wird.

Zur Detektierung der Ventilsteuerzeit "Auslaß öffnet" kann die Expansionslinie des Brennraumdruckverlaufs ausgewertet werden. Solange das Auslaßventil geschlossen ist, handelt es sich bei den Vorgängen im Zylinder um ein thermodynamisch geschlossenes System, so daß die Vorgänge nach thermodynamischen Gesetzmäßigkeiten berechnet werden können. Bei zunehmendem Volumen tritt eine Druckabnahme auf, die sich ähnlich einer polytropen Expansion einstellt. Charakteristisch dafür ist, daß der Betrag des Druckgradienten mit zunehmendem Volumen abnimmt. Wird das Auslaßventil geöffnet, so strömt bedingt durch den gegenüber der Umgebung noch erhöhten Druck Gas aus dem Zylinder aus.

Dadurch nimmt der Betrag des Druckgradienten zu. Als Kennzeichen bzw. charakteristisches Verhalten des Druckverlaufs kann somit die Auswertung des Druckgradienten für die erfolgte Auslaßöffnung herangezogen werden. Weist der Druckgradient ein Verhalten auf, das sich auszeichnet durch eine geringerwerdende Abnahme und eine plötzliche Vergrößerung des Betrages des Druckgradienten, kann auf die erfolgte Auslaßöffnung geschlossen werden. Mathematisch kann die Auswertung erfolgen, indem beispielsweise ein Vorzeichenwechsel in der zweiten Ableitung des Drucks nach dem Volumen abgeprüft wird. Tritt ein solcher Vorzeichenwechsel in der zweiten Ableitung des Drucks nach dem Kurbelwinkel auf, kann auf eine erfolgte Auslaßöffnung geschlossen werden. In Figur 4, die den Zusammenhang zwischen Druck P und Volumen V zwischen dem oberen Totpunkt OT und dem unteren Totpunkt UT wiedergibt, würde der Punkt A1 die erfolgte Auslaßöffnung bezeichnen. An dieser Stelle gilt, daß die zweite Ableitung des Drucks nach dem Volumen $\frac{{\mathbf{\text{d}}}^{\mathbf{\text{2}}}\mathbf{\text{P}}}{\mathbf{\text{dν}}}$ einen Vorzeichenwechsel aufweist. Dies gilt auch für den Zusammenhang $\frac{{\mathbf{\text{d}}}^{\mathbf{\text{2}}}\mathbf{\text{P}}}{{\mathbf{\text{dα}}}^{\mathbf{\text{2}}}}$.

Zur Detektierung der Ventilsteuerzeit "Einlaß schließt" wird das Volumen bzw. der Kurbelwinkel detektiert, an dem die Kompressionslinie ein bekanntes, festes Niveau durchläuft. Im einfachsten Fall wird dieses Vergleichsniveau aus dem Druckverlauf während des Ausschiebens gewonnen. Die Lage des Schnittpunkts A2 zwischen Kompressionsdruckverlauf und Druckverlauf während des Ausschiebens im Kurbelwinkelmuster bzw. im Volumenverlauf läßt sich Figur 5 entnehmen. Sie ist zwar kein direktes Maß für die Ventilsteuerzeit "Einlaß schließt" , verschiebt sich jedoch bei einer Änderung des Schließens des Einlaßventils. Somit kann ein Sollwert für die Lage des Punktes A2 in Abhängigkeit von Last und Drehzahl motorabhängig appliziert werden. Zur Diagnose wird dann die Abweichung des Istwertes des Punktes A2 vom Sollwert herangezogen. Die Aufnahme der motorspezifischen Daten kann vor einer Inbetriebnahme beispielsweise in einem Prüfstand erfolgen. Die dabei gewonnen Daten werden in Speichern beispielsweise des Steuergerätes abgelegt, das jederzeit auf diese Daten zurückgreifen kann.

Die Auswertung des Brennraumdruckverlaufs ist nicht nur auf den Druck-Volumen-Zusammenhang beschränkt, sondern es ist auch eine Auswertung anhand des Druck-Kurbelwinkel-Zusammenhangs möglich. Durch Auswertung der Lage der Punkte A3 und A4 nach Figur 6 lassen sich entsprechende Rückschlüsse ziehen. In Figur 6 ist im übrigen der Brennraumdruck P über dem Kurbelwellenwinkel α aufgetragen. Zusätzlich sind die Lastwechsel OT-Punkte LWOT, ein Zünd-OT-Punkt ZOT, untere Totpunkte UT sowie Winkeln α3, β3 sowie α4, β4 eingetragen, wobei der Winkel α3 bzw. α4 jeweils den Abstand zwischen dem unteren Totpunkt UT und dem Punkt A3 bzw. A4 definiert, der Winkel β3 den Abstand zwischen A3 und ZOT und der Winkel β4 den Abstand zwischen A4 und LWOT definiert. Wenn der Druck an der Stelle A3 gleich dem Druck an der Stelle A4 ist, gilt für die Winkel α3=α4 und β3=β4.

Falls eine Auswertung des Brennraumdruckverlaufs während des Ausschiebens der im Zylinder befindlichen Verbrennungsgase nicht möglich ist, beispielsweise wenn der Brennraumdrucksensor infolge der hohen Verbrennungstemperatur durch thermoschockbedingte Kurzzeitdrift nur ungenaue Signale liefert, kann die Auswertung des Brennraumdruckverlaufs auch ersatzweise durch Vergleich mit dem Umgebungsdruck durchgeführt werden. Beispielsweise kann zur Erkennung der Ventilsteuerzeit "Einlaßventil schließt Einlaßventil" das Volumen bzw. der Kurbelwellenwinkel detektiert werden, bei dem der Kompressionsdruck gleich dem Umgebungsdruck ist. In diesem Fall wird der Punkt A3 als Schnittpunkt des Kompressionsdruckverlaufs mit dem Umgebungsdruck definiert. Damit wird jedoch eine Nullniveaukorrektur des Druckverlaufs notwendig, dies erhöht den Rechenaufwand und kann unter Umständen zu Fehlmessungen führen.

Falls Meßwerte des Umgebungsdrucks nicht zur Verfügung stehen oder falls es keinen Schnittpunkt zwischen dem Umgebungsdruck und der Kompressionslinie gibt, beispielsweise ist dies bei aufgeladenen Motoren der Fall, kann eine Auswertung des Brennraumdruckverlaufs auch noch anhand eines Druckfestwertes erfolgen. In diesem Fall sind jedoch spezielle Diagnosestrategien erforderlich, die eine Fehldiagnose bedingt durch eine starke Änderung des Umgebungsdrucks, beispielsweise bei einer Höhenfahrt verhindert. Falls vom Steuergerät eine solche Höhenfahrt, beispielsweise im Zusammenhang mit anderen Auswertungen zur Regelung der Brennkraftmaschine erkannt wird, kann eine Erkennung von Ventilsteuerzeiten zumindest zeitweise unterbunden werden.

Werden Ventilsteuerzeiten verändert, beispielsweise durch entsprechende Veränderung der Nockenwellenstellungen, führt dies auch zu einer Änderung des Brennraumdruckverlaufs während der Kompressionsphase, während der Verbrennungsphase und während der Expansionsphase. Beispielsweise werden durch Veränderung der Nockenwellenstellung die Ventilsteuerzeiten so verändert, daß sich der Restgasgehalt der Zylinderladung in charakteristische Weise ändert. Ein höherer Restgasgehalt, der beispielsweise durch spätes Schließen des Auslaßventils oder frühes Öffnen des Einlaßventils, jeweils bezogen auf den Kurbelwellenwinkel, bedingt sein kann, erhöht sowohl den Absolutdruck als auch den Druckgradienten während der Kompressionsphase bei angenommener gleicher Frischluftmassenzufuhr. Bei angenommenem gleichen Zündzeitpunkt wird die Verbrennung verspätet beginnen, mit den entsprechenden Auswirkungen auf die die Verbrennung und die Expansion beschreibenden Kennwerte. Sind verschiedene motorspezifische Kennwerte bzw. Kennfelder in Speichern des Steuergerätes abgelegt, kann jederzeit auf diese Kennwerte bzw. Kennfelder zurückgegriffen werden. Ein Vergleich mit dem gemessenen Zylinderdruckverlauf ergibt bei Kenntnis der motorspezifisch vorhandenen Zusammenhänge, beispielsweise auch mit ermittelten mathematischen Zusammenhängen, ein Rückschließen, welche der Ventilsteuerzeiten vorliegen. Während des Motorbetriebs können Kennwerte adaptiert werden. Aus den adaptierten Kennwerten läßt sich ebenfalls auf die aktuellen Ventilsteuerzeiten rückschließen. Auch die Streuung der die Verbrennung kennzeichnenden Größen von Zyklus zu Zyklus bei fremdgezündeten Motoren mit steigendem Restgasgehalt zunimmt, läßt sich eine weitere Auswertemöglichkeit für den Verbrennungsdruckverlauf darstellen. Damit ist die Möglichkeit gegeben, aus der Streuung der Kennwerte über motorspezifisch ermittelte Kennfelder bzw. Kennlinien, motorspezifisch ermittelte mathematische Zusammenhänge oder während des Motorbetriebs adaptierte Kennwerte auf die Ventilsteuerzeiten rückzuschließen.

Eine Kombination der vorstehend erwähnten Auswertemöglichkeiten ist jederzeit möglich. Weiterhin ist es möglich, sowohl bei der Auswertung der Druckgradienten als auch bei der Auswertung des Druckmaximums, der Lage des Druckmaximums sowie generell bei der Auswertung einzelner Druckverläufe zunächst eine Mittelwertbildung, beispielsweise über mehrere Motorzyklen durchzuführen und die Mittelwerte des Brennraumdruckverlaufs auf bestimmte Ventilsteuerzeiten kennzeichnende Größen zu untersuchen. Dabei sind wiederum jeweils motorspezifisch ermittelte und als Kennfeld oder Kennlinie abgelegte Zusammenhänge oder mathematische Zusammenhänge zu berücksichtigen. Zur Detektierung wenigstens einer der Ventilsteuerzeiten "Auslaß öffnet" , "Auslaß schließt" , "Einlaß schließt" oder "Einlaß öffnet" kann auch zunächst ein definiertes Brennraumdruckintegral oder ein Differenzbrennraumdruckintegral gebildet werden, wobei die Integrationsgrenzen geeignet zu wählen sind und insbesonders so gelegt werden, daß ventilsteuerzeittypische Phasen zusammengefaßt werden.

Eine weitere Möglichkeit zur Detektierung der Ventilsteuerzeiten besteht darin, aus dem Auftreten von Schwingungen im Brennraumdruckverlauf in Folge klopfender Verbrennung oder aus der Notwendigkeit von Gegenmaßnahmen zur Vermeidung klopfender Verbrennung, welche wiederum aufgrund von Druckschwingungen im Brennraumdruckverlauf ergriffen werden, kennzeichnende Größen für bestimmte Ventilsteuerzeiten abzuleiten. Dabei kann wiederum eine zusätzliche Mittelwertbildung durchgeführt werden.

Die Erfindung läßt sich bei Brennkraftmaschinen mit beliebiger Zylinderzahl einsetzen, wobei die zahl der Zylinderdrucksensoren beispielsweise der Zahl der Zylinder oder der halben Zahl entspricht. In einer vereinfachten Version kann wenigstens ein Sensor eingesetzt werden. Als Sensoren können auch Klopfsensoren eingesetzt werden bzw. beliebige Verbrennungsablaufsensoren, aus deren Ausgangssignal für Ventilsteuerzeiten charakteristische Merkmale gewonnen werden können.