Hart, Martin (Sandweg 107 Leinfelden, D-70771, DE)
Loisch, Robert (Furtwanger Strasse 25 Böblingen, D-71034, DE)
Scherer, Matthias (Albblick 12 Esslingen, D-73730, DE)
Allmendinger, Klaus (Fichtenstrasse 1 Bachhagel, D-89429, DE)
Hart, Martin (Sandweg 107 Leinfelden, D-70771, DE)
Loisch, Robert (Furtwanger Strasse 25 Böblingen, D-71034, DE)
Scherer, Matthias (Albblick 12 Esslingen, D-73730, DE)
| 1. | Vorrichtung zur Bestimmung von Druck und Temperatur eines Gases in einem Hohlraum, insbesondere eines Kraftstoff/Luft Gemischs im Brennraum eines Verbrennungsmotors, mit einem den Druck erfassenden, druckempfindlichen Meßelement (5), dadurchgekennzeichnet,daß das druckempfindliche. Meßelement (5) überdies als Sendeund Empfangselement für Ultraschallimpulse ausgelegt ist und die Temperatur über die Laufzeit der Ultraschallimpulse entlang ei ner vorgegebenen Strecke bestimmt ist. |
| 2. | Vorrichtung nach Anspruch 1, g e k e n n z e i c h n e t durch ihre Integration mit einer Zündkerze (5). |
| 3. | Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Meßelement (5) entweder zu verschiedenen Zeit punkten als Druckmeßelement einerseits und als Ultraschallwand lerelement andererseits oder kontinuierlich als Druckmeßelement und dazu überlagert zusätzlich als Ultraschallwandlerelement derart angesteuert wird, daß im letzteren Fall ein Druckmeßsig nal und ein überlagertes UltraschallLaufzeitmeßsignal des Meß elementAusgangssignals von einer Auswerteeinheit (8) voneinan der getrennt werden können. |
Es sind Vorrichtungen zur Bestimmung von Druck und Temperatur eines Kraftstoff/Luft-Gemischs in einem Brennraum eines Verbren- nungsmotors bekannt, die als jeweils eigenständige Sensorbautei- le einen Druckmeßfühler zur Druckerfassung und davon getrennt einen Temperaturmeßfühler zur Temperaturerfassung aufweisen. Die Bestimmung von Druck und Temperatur des Kraftstoff/Luft-Gemischs im Brennraum dient zur Erfassung bzw. Überwachung der innermoto- rischen Vorgänge, insbesondere zur Bestimmung der Motorlast.
Während die Motorlast im stationären Motorbetrieb relativ genau über eine Messung des Drosselklappenwinkels, eine Saugrohrdruck- messung mittels eines entsprechend positionierten Drucksensors in Verbindung mit einer Temperaturmessung im Saugrohr oder über eine Luftmassenmessung mittels eines Heißfilmluftmassenmessers ermittelt werden kann, ergeben sich im Instationärbetrieb Abwei- chungen aufgrund von Füllungseffekten des Saugrohres, Rückströ- mungseffekten von Restgas in der Ventilüberschneidungsphase und Pulsationen im Saugrohr.
Durch den Einsatz von Zylinderdrucksensoren, d. h. von Drucksen- soren, die im jeweiligen Brennraum des Motorzylinders positio- niert sind, kann mittels Auswertung des Druckverlaufs in der Kompressionsphase die Luftmasse im Brennraum nach Schließen der Einlaßventile bestimmt werden, ohne daß sich dabei Instationär- effekte auswirken. Hierzu wird von der idealen Gasgleichung Ge- brauch gemacht, um die Zylin-derladung zu berechnen, wobei der in diese Gleichung eingehende Absolutdruck anhand des mittels der Zylinderdruckmessung erfaßten Relativdrucks bei einer definier- ten Kurbelwinkelstellung durch eine thermodynamische Nullpunkts- korrektur nach Pischinger oder durch eine Saugrohrdruckanglei- chung kurz vor dem Schließen des Einlaßventils ermittelt werden kann. Das Brennraumvolumen läßt sich über den Kurbelwinkelbezug und die motorspezifischen Daten berechnen. Die weiter in die ideale Gasgleichung eingehende Gaskonstante ist bekannt und kann während der Kompressionsphase als annähernd konstant betrachtet werden. Wenn nun noch zusätzlich die Temperatur im Brennraum ge- messen wird, kann daraus die Ladungsmasse anhand der idealen Gasgleichung bestimmt werden.
In der Offenlegungsschrift DE 40 10 609 Al wird eine Vorrichtung zur Bestimmung von Druck und Temperatur eines Kraftstoff/Luft- Gemischs im Brennraum eines Verbrennungsmotors vorgeschlagen, die einen integrierten Teil einer Zündkerze bildet, die eine in einem rohrförmigen Isolator angeordnete Mittelelektrode mit ei- nem hohlen Abschnitt aufweist, der ein Thermoelement umgibt, welches die Temperatur des vorderen Endes der Mittelelektrode und damit die Brennraumtemperatur erfaßt. Weiter besitzt die Zündkerze ein metallisches Mantelgehäuse mit einem Haltesitz um eine äußere Fläche des Mantelgehäuses. An dem Haltesitz ist ein ringförmiger Drucksensor so angeordnet, daß er den Brennraum- druck in einem Zylinderkopf erfaßt, wobei der Drucksensor als Zwischenlage zwischen dem Haltesitz und dem Zylinderkopf ange- ordnet ist, wenn die Zündkerze mit dem Zylinderkopf des Verbren- nungsmotors fest verbunden ist.
Alternativ zur Verwendung solcher und ähnlicher Thermoelemente ist es bekannt, die Temperatur eines Kraftstoff/Luft-Gemischs im Brennraum eines Verbrennungsmotors über eine Ultraschall-Lauf- zeitmessung zu bestimmen, siehe die Offenlegungsschrift DE 44 42 078 A1 und die Zeitschriftenaufsätze J. C. Livengood et al., Ul- trasonic Temperature Measurement in Internal Combustion Engine Chamber, The Journal of the Acoustical Society of America, Bd.
26, Nr. 5, Sept. 1954, S. SZX sowie G. Hohenberg, Gastemperatur- Meßverfahren durch Laufzeitmessung von Ultraschallimpulsen-ein neuer Weg zur Erfassung innermotorischer Vorgänge, Automobil- Industrie 2/75, S. 25. Im erstgenannten Aufsatz ist eine Vor- richtung zur Bestimmung von Druck und Temperatur eines Kraft- stoff/Luft-Gemischs im Brennraum eines Verbrennungsmotors offen- bart, die neben einer Ultraschall-Laufzeitmeßeinrichtung ein se- partes, eigenständiges Druckmeßelement zur Brennraumdrucker- fassung beinhaltet. Im letztgenannten Aufsatz ist das Prinzip der Temperaturermittlung aus Ultraschall-Laufzeitmessungen unter Verwendung der bekannten Beziehung für die Schallgeschwindigkeit eines Gases in Abhängigkeit allein der Gaskonstanten, des Quoti- ents der Wärmekapazitäten bei konstantem Druck und konstantem Volumen sowie der Temperatur beschrieben, wobei sich die zur Be- rechnung der Schallgeschwindigkeit aus den gemessenen Laufzeiten benötigte Entfernung aus den motorspezifischen geometrischen Da- ten, z. B. unter Ausnutzung des Kurbelwinkelbezugs, bestimmen läßt. In diesem Aufsatz wird zur Realisierung. der Ultraschall- Laufzeitmeßeinrichtung vorgeschlagen, den zu verwendenden Ultra- schallwandler in einem zugehörigen Gehäuse aufzunehmen und wie eine Zündkerze in den Zylinderkopf einzuschrauben.
In der Offenlegungsschrift WO 91/19966 ist ein Druck-und Wärme- fluß-Sensor für den Verbrennungsraum von Verbrennungsmotoren be- schrieben, bei dem ein Druck-Sensorelement, das als piezoelek- trisches Element ausgelegt sein kann, und ein aus zwei Tempera- turfühlern bestehendes Wärmefluß-Sensorelement in einem gemein- samen Gehäuse integriert sind.
Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung einer Vorrichtung der eingangs genannten Art, die bei ver- gleichsweise kompakter Bauweise eine zuverlässige Bestimmung von Druck und Temperatur eines Gases in einem Hohlraum, insbesondere eines Kraftstoff/Luft-Gemischs im Brennraum eines Verbrennungs- motors, ermöglicht sowie eines dafür geeigneten Betriebsverfah- rens zugrunde.
Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eines Ver- fahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 3.
Die Vorrichtung nach Anspruch 1 beinhaltet eine kombinierte Drucksensor-und Ultraschallwandlereinheit mit einem Meßelement, das sowohl zur Druckmessung als auch als Ultraschallwandlerele- ment zur Temperaturbestimmung durch Ultraschall-Laufzeitmessung dient. Durch diese Integration von Druck-und Temperaturmeß- funktion in ein einziges Meßelement läßt sich die Vorrichtung sehr kompakt bauen und daher problemlos z. B. am Brennraum eines Verbrennungsmotors positionieren. Die separate Anbringung je ei- nes eigenen Druck-und Temperatursensors erübrigt sich. Mit die- ser Vorrichtung lassen sich Druck und Temperatur eines Gases in einem Hohlraum bekannter Abmessungen nach dem Verfahren gemäß Anspruch 3 bestimmen. Durch Anbrinung dieser Vorrichtung am Brennraum eines Verbrennungsmotors läßt sich die jeweils im Brennraum befindliche Luftmasse auch in instationären Motorbe- triebsphasen vergleichsweise genau unter Zuhilfenahme der idea- len Gasgleichung sowie der Meßwerte für Brennraumdruck und Brennraumtemperatur berechnen.
Bei einer nach Anspruch 2 weitergebildeten Vorrichtung ist die kombinierte Drucksensor-und Ultraschallwandlereinheit inte- grierter Bestandteil einer Zündkerze und benötigt daher neben dem ohnehin für die Zündkerze vorgesehenen Einbauraum keinen weiteren Platzbedarf zur Anbringung von Druck-und Temperatur- sensorelementen an den Brennraumwandungen.
Eine vorteilhafte Ausführungform der Erfindung ist in der Zeich- nung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
Die einzige Figur zeigt eine schematische Blockdiagrammdarstel- lung einer Vorrichtung zur Bestimmung von Druck und Temperatur eines Kraftstoff/Luft-Gemischs im Brennraum eines Verbrennungs- motors.
Die in der Figur schematisch in Blockdiagrammform gezeigte Vor- richtung kann speziell dafür verwendet werden, Druck und Tempe- ratur eines Kraftstoff/Luft-Gemischs in einem jeweiligen Brenn- raum des Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeuges zu bestimmen.
Über die Beziehung a =K RoT für die Schallgeschwindigkeit a als Funktion der Gaskonstante R, der Gastemperatur T und des Quoti- enten K der ihrerseits nur von der Temperatur T abhängigen Wärme- kapazitäten cP bei konstantem Druck und cv bei konstantem Volu- men, d. h. K (T) =cp (T)/cv (T), läßt sich durch Ultraschall-Laufzeit- messungen bei bekannter Lauflänge, d. h. Entfernung, die Tempera- tur zu ermitteln. Die Lauflänge kann z. B. über den Kurbelwinkel- bezug und die motorspezifischen Daten berechnet werden. Der Druck wird direkt sensorisch erfaßt.
In der Figur ist schematisch ein Zylinder 1 eines Kraftfahrzeug- Verbrennungsmotors vom Hubkolbentyp gezeigt, in dessen Brennraum 2 über einen Ansaugtrakt 3 und ein Einlaßventil 4 ein geeignetes Kraftstoff/Luft-Gemisch eingeleitet werden kann, das mittels ei- ner von oben in den Brennraum 2 hineinragenden Zündkerze 5 ge- zündet wird. Das durch den Verbrennungsprozeß im Brennraum 2 entstehende Abgas wird über ein Auslaßventil 6 und einen an- schließenden Abgastrakt 7 abgeführt. Die Zündkerze 5 enthält charakteristischerweise die Vorrichtung zur Bestimmung von Druck und Temperatur des in den Brennraum 2 eingeleiteten Kraft- stofi/Luft-Gemischs in Form einer nicht näher gezeigten, kombi- nierten Drucksensor-und Ultraschallwandlereinheit, die ein ein- ziges Meßelement in Form eines ansteuerbaren piezoelektrischen Sensorplättchens aufweist. Dieses piezoelektrische Sensorplätt- chen ist so ausgelegt, daß es sowohl zur Druckmessung als auch in einer Ultraschallwandlerfunktion zum Senden und Empfangen von Ultraschallwellen dienen kann, wenn es entsprechend angesteuert wird. Die Ansteuerung erfolgt über eine Steuereinheit 8 der Druck-und Temperaturbestimmungsvorrichtung, wobei diese Steuer- einheit 8 beispielsweise integrierter Bestandteil eines Motor- steuergerätes sein kann.
Auf diese Weise kann über das piezoelektrische Sensorplättchen sowohl der Druck als auch mittels Ultraschall-Laufzeitmessungen der vom Sensorplättchen ausgesandten und empfangenen Ultra- schallwellen die Temperatur des Gases im Brennraum 2 bestimmt werden, ohne daß hierzu je ein eigener Druck-und Temperatursen- sor am Zylinder 1 angeordnet oder je ein eigenes Druck-und Tem- peraturmeßfühlerelement in die Zündkerze 5 oder ein anderes, mit dem Brennraum 2 in Kontakt stehendes Bauteil integriert werden müssen. Zur Durchführung der Druck-und Ultraschallaufzeit- Messungen bieten sich insbesondere die beiden folgenden Verfah- ren an.
Gemäß einer ersten möglichen Vorgehensweise veranlaßt die Steu- ereinheit 8 in bestimmten Zeitabständen eine kurze Ultra- schallaufzeitmessung, während sie zu den übrigen Zeiten das pie- zoelektrische Sensorplättchen als Druckmeßelement ansteuert. Zu Beginn einer jeweiligen Ultraschallaufzeitmessung steuert die Steuereinheit 8 das piezoelektrische Sensorplättchen in der Zündkerze 5 zum Aussenden eines typischen Ultraschallwellenim- pulses 9 an, wie er in der Figur diagrammatisch veranschaulicht ist. Anschließend detektiert das piezoelektrische Sensorplätt- chen in seiner Ultraschallwandlerfunktion den in der Figur eben- falls diagrammatisch veranschaulichten, vom gegenüberliegenden Boden 10 des Hubkolbens 11 reflektierten Ultraschallwellenimpuls 12. Aus der zeitlichen Verschiebung dt dieses reflektierten Im- pulses 12 relativ zum Anregungsimpuls 9, welche die Laufzeit des Ultraschallwellenimpulses widerspiegelt, bestimmt die Steuerein- heit 8 zunächst die Schallgeschwindigkeit des Gases im Brennraum 2. Dazu benötigt sie die Entfernung des reflektierenden Kolben- bodens 10 vom piezoelektrischen Sensorplättchen, die über den bekannten Kurbelwinkelbezug, d. h. die Stellung der Kurbelwelle und damit des Kolbens 11 zum Zeitpunkt der Laufzeitmessung, und den bekannten motorspezifischen Daten, insbesondere hinsichtlich der Motorgeometrie, berechnet werden kann. Aus der Schallge- schwindigkeit ermittelt die Steuereinheit 8 dann die Temperatur des Gases im Brennraum 2 anhand der bekannten, oben angegebenen Beziehung zwischen diesen beTden Größen. Unter Benutzung der idealen Gasgleichung kann dann anhand der ermittelten Druck-und Temperaturwerte die Luftmasse im Brennraum 2 bestimmt werden, wie gleichfalls oben erwähnt, wobei die Meßvorgänge und damit die Luftmassenbestimmung vorzugsweise während der Kompressi- onsphase nach Schließen des Einlaßventils 4 vorgenommen werden, da sich dann eventuelle Instationäreffekte nicht auswirken.
Nach beendeter Ultraschallaufzeitmessung steht das piezoelektri- sche Sensorplättchen bei dieser ersten Verfahrensvariante wieder für Brennraumdruckmessungen zur Verfügung. In diesen Druckmeß- phasen wird das Sensorplättchen mit einer geeigneten Druckmeß- frequenz angeregt und das erhaltene, in der Figur wiederum dia- grammatisch veranschaulichte Druckmeßsignal 13 durch eine geeig- nete, vorzugsweise als Software realisierte Brennraumdruckaus- wertung 14 der Steuereinheit 8 zur Gewinnung des Brennraumdrucks ausgewertet.
Eine zur ersten alternative zweite Vorgehensweise der Druck-und Ultraschallaufzeitmessung besteht darin, das piezoelektrische Sensorplättchen ständig mit der Druckmeßfrequenz anzuregen und dieses daher kontinuierlich als Druckmeßelement einzusetzen und zu gewünschten Zeitpunkten dem Brennraumdruckmeßsignal zusätz- lich das Ultraschallanregungssignal zu überlagern. Auf diese Weise wird das Sensorplättchen zu den betreffenden Zeitpunkten gleichzeitig als Druckmeßelement und als Ultraschallwandlerele- ment eingesetzt. Das Brennraumdruckmeßsignal wird dabei von dem anregenden und von dem reflektierten Ultraschallwellensignal überlagert. In der Steuereinheit 8 ist in diesem Fall eine ge- eignete Signalverarbeitung implementiert, mit der aus diesem Ausgangssignal des Sensorplättchens das eigentliche Brennraum- druckmeßsignal sowie das anregende und das reflektierte Ultra- schallwellensignal voneinander getrennt und danach zur Druck- und Ultraschallaufzeitbestimmung ausgewertet werden können. Aus der ermittelten Ultraschallaufzeit vermag die Steuereinheit 8 dann wieder auf die Temperatur des Brennraumgases, d. h. des Kraftstoff/Luft-Gemischs, zu schließen. Mit dieser Vorgehenswei- se ist bei Wahl entsprechend-kurzer Abstände zwischen zwei Ul- traschallwellenanregungen eine quasi kontinuierliche Bestimmung von Druck und Temperatur des Gases im Brennraum 2 möglich. Wie zu der ersten Verfahrensvariante beschrieben, kann auch bei der zweiten Verfahrensvariante in gleicher Weise aus der Druck-und Temperaturbestimmung die Luftmasse im Brennraum 2 pro Arbeits- spiel und damit die Motorlast nicht nur bei stationärem, sondern gerade auch bei instationärem Motorbetrieb vergleichsweise genau erfaßt werden.
Es versteht sich, daß sich die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur zur Bestimmung von Druck und Temperatur eines Gases im Brennraum eines Verbren- nungsmotors, sondern eines beliebigen, in einem Hohlraum bekann- ter Abmessungen befindlichen Gases eignen.