Titel

Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Ermitteln, ob ein Verbrennungsvorgang bei einer Brennkraftmaschine stattgefunden hat, Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, ein Computerprogramm und eine Steuer und-/oder Regeleinrichtung zur Durchführung des Verfahrens sowie ein maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm gespeichert ist.

Stand der Technik

Aus der US 6,924,737 B2 ist ein Verfahren bekannt, bei dem mittels einer Spannung einer spannungsgenerierenden Brennkraftmaschine ermittelt wird, ob die Brennkraftmaschine läuft, oder nicht.

Vorteile der Erfindung

Das Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass sogar bezogen auf einzelne Verbrennungsvorgänge ermittelt werden kann, ob diese stattfinden oder nicht. Das Verfahren ist daher besonders genau. Ferner benötigt das Verfahren lediglich Sensorik, die ohnehin in einer Brennkraftmaschine vorhanden ist, und ist daher besonders aufwandsarm einsetzbar.

Offenbarung der Erfindung

In einem ersten Aspekt ist ein Verfahren vorgesehen, mit dem ermittelt wird, ob ein Verbrennungsvorgang in einem Zylinder einer Brennkraftmaschine, insbe- sondere eines Kraftfahrzeugs, durchgeführt wird. Das Verfahren nutzt einer zunächst eine Zustandsgröße, welche vorzugsweise einen Verbrennungsvorgang im Zylinder charakterisiert. Besonders gute Ergebnisse liefert das Verfahren, wenn diese Zustandsgröße eine Energie ist. Um diese Energie besonders einfach mit möglichst guter Genauigkeit ermitteln zu können, umfasst sie vorzugsweise eine durch die Rotationsbewegung der Brennkraftmaschine gegebene kinetische Energie. Diese kinetische Energie ist dabei im Inertialsystem der Brennkraftmaschine gegeben, umfasst also beispielsweise gerade die kinetische Energie, die sich durch die Rotationsbewegung der Kurbelwelle und diejenige kinetische Energie derjenigen Bewegungen von Teilen der Brennkraftmaschine ergeben, die mit der Drehbewegung der Kurbelwelle gekoppelt sind (nicht hingegen die kinetische Energie, die der Brennkraftmaschine durch die Bewegung des Kraftfahrzeugs verliehen wird).

Für besonders gute Ergebnisse umfasst die Energie vorzugsweise eine Rotationsenergie der Kurbelwelle und eine kinetische Energie der Auf- und Abbewe- gung von Kolben der Brennkraftmaschine umfasst.

Eine weitere Verbesserung der Genauigkeit bei moderatem Zusatzaufwand lässt sich alternativ oder zusätzlich erzielen, wenn die Energie auch eine Volumenarbeit der im Zylinder vorhandenen Gasfüllung umfasst.

Das Verfahren nutzt weiter eine charakteristische Signatur des zeitlichen Verlaufs dieser Zustandsgröße. Hierbei wird abhängig von einem relativen (Phasen- )winkel (der insbesondere ein Kurbelwellenwinkel, aber auch z.B. ein Nockenwellenwinkel sein kann), um den die charakteristische Signatur gegenüber einem vorgebbaren aber festen Kurbelwellenwinkel verschoben ist darauf entschieden, ob der Verbrennungsvorgang vorliegt oder nicht. Der vorgebbare Kurbelwellenwinkel kann beispielsweise ein oberer Totpunkt des Zylinders sein.

In einer besonders einfachen Weiterbildung ist die charakteristische Signatur ein charakteristischer Wert, insbesondere ein Maximum, eines zeitlichen Verlaufs einer Fourierkomponente der Zustandsgröße. Diese Fourierkomponente ist bevorzugt diejenige Fourierkomponente mit der Periode, die einer Verbrennungsfrequenz (bzw. bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen, der Zündfrequenz) der Brennkraftmaschine entspricht. Diese Fourierkomponente wird im Folgenden auch als„Zündfrequenz-Fourierkomponente" bezeichnet.

Im Amplitudenspektrum zeigt sich, dass bei befeuertem Zustand die Frequenz der größten Amplitude der Zündfrequenz gleicht. Dieser Zusammenhang ist darauf zurückzuführen, dass die Zündung des Kraftstoffes und seine nachträgliche Verbrennung periodisch mit der Zündfrequenz erfolgt und daher mit der Zündfrequenz die Rotationsenergie der Kurbelwelle erhöht. In einer besonders einfachen Weiterbildung eines der vorgenannten Verfahren kann dann darauf entschieden werden, dass der Verbrennungsvorgang stattgefunden hat, wenn die Phasenverschiebung in einem vorgebbaren Kurbelwellen- winkelbereich um den vorgebbaren Kurbelwellenwinkel liegt, d.h. wenn der Kurbelwellenwinkel innerhalb des Kurbelwellenwinkelbereichs liegt.

Ganz besonders einfach ist dieses Verfahren, wenn der Kurbelwellenwinkelbe- reich symmetrisch um den vorgebbaren Kurbelwellenwinkel liegt.

Es kann dann weiter vorgesehen sein, dass mit einem der vorgenannten Verfah- ren ermittelt wird, ob ein Verbrennungsvorgang vorliegt oder nicht, und die

Brennkraftmaschine dann abhängig vom Ergebnis dieser Ermittlung angesteuert wird.

In weiteren Aspekten betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, dass einge- richtet ist, das Verfahren, also alle Schritte des Verfahrens, durchzuführen, ein maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm gespeichert ist sowie ein Steuergerät, welches eingerichtet ist, das Verfahren, also alle Schritte des Verfahrens, durchzuführen. Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen: schematisch einen Aufbau einer Brennkraftmaschine; Figur 2 beispielhaft zeitliche Verläufe eines Energiewerts und eines Kolbenhubs;

Figur 3 beispielhaft zeitliche Verläufe verschiedener Zustandsgrößen einer

Brennkraftmaschine sowie des relativen Phasenwinkels;

Figur 4 ein Flussdiagramm einer Ausführungsform der Erfindung.

Figur 1 zeigt ein beispielhaft den Aufbau einer Brennkraftmaschine, hier beispielhaft eines fremdgezündeten Benzin-Verbrennungsmotors mit Saugrohreinspritzung eines Kraftfahrzeugs. In einem Brennraum 20 eines Zylinders 10 findet in bekannter Weise eine Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs statt. Der Kraftstoff wird über ein Einspritzventil 150 in ein Saugrohr 80 eingespritzt und über ein Einlassventil 160 dem Brennraum 20 zugeführt. Die Luftmenge wird über eine Drosselklappe 100 eingestellt und ebenfalls durch das Saugrohr 80 und das Einlassventil 160 dem Brennraum 20 zugeführt. Eine Zündkerze 120 zündet dort das Kraftstoff-Luft-Gemisch und bewegt so einen Kolben 30 abwärts, wodurch über einen Pleuel 40 eine Kurbelwelle 50 angetrieben wird. Im Ausschiebetakt wird die so verbrannte Luft vom Kolben 30 über ein Auslassventil 170 ein einen Abgastrakt 90 ausgeschoben. Eine Nockenwelle 190 weist Nocken 180, 182 auf, mit denen Einlassventil 160 und Auslassventil 170 in bekannter Weise gesteuert werden. Die Ansteuerung von Drosselklappe 100, Einspritzventil 150, Zündkerze 120 und ggf. des variablen Ventiltriebs kann mittels eines Motorsteuergeräts 70 geschehen, auf dem auch das erfindungsgemäße Verfahren ablaufen kann. Das Motorsteuergerät 70 empfängt von einem Drehwinkelsensor 200 in bekannter Weise ein Signal, das Zahnzeiten eines mit der Kurbelwelle 50 drehfest verbundenen Geberrads (nicht dargestellt) codiert.

Typischerweise kann die Ansteuerung ebenso wie das erfindungsgemäße Verfahren durch ein Computerprogramm verwirklich werden, das beispielsweise auf einem maschinenlesbaren Speichermedium 71 gespeichert ist. Das maschinenlesbare Speichermedium 71 kann im Motorsteuergerät 70 enthalten sein. Figur 2 zeigt schematisch einen zeitlichen Verlauf einer Energie E, beispielhaft für den Fall einer vierzylindrigen Brennkraftmaschine. Die Energie E entspricht in diesem Beispiel der gespeicherten mechanischen Arbeit, die in allen vier Zylindern der Brennkraftmaschine vorhanden ist. Zu Kurbelwellenwinkeln KW1, KW2, KW3, KW4, KW5 durchlaufen Zylinder der Brennkraftmaschine jeweils einen oberen Totpunkt TDC, hier speziell ihren oberen Zündungstotpunkt, d.h. den Totpunkt im Übergang vom Ausschiebetakt in den Arbeitstakt. Um einen relativen Phasenwinkel Δφ verschoben nimmt der Verlauf der Energie E einen Minimalwert an. Dieser relative Phasenwinkel Δφ ist im Beispiel in allen dargestellten Minima gleich. Er kann aber auch in jedem Minimum einen unterschiedlichen Wert annehmen.

Figur 3c illustriert den zeitlichen Verlauf des relativen Phasenwinkel Δφ in einem realen Beispiel. Zur Illustration ist in Figur 3a der zeitliche Verlauf eines von der Brennkraftmaschine genierten Drehmoments M aufgetragen (gestrichelte Linie), ebenso der Verlauf eines Signals S (durchgezogene Linie), das einen niedrigen Wert annimmt, wenn die Brennkraftmaschine befeuert ist und einen hohen Wert, wenn die Zündung der Brennkraftmaschine nicht befeuert ist. Figur 3b zeigt einen zeitlichen Verlauf einer Drehzahl der Brennkraftmaschine.

Wie in Figur 3c dargestellt liegt der relative Phasenwinkel Δφ mit sehr guter Trennschärfe innerhalb eines Bereichs B, wenn die Brennkraftmaschine befeuert ist, und außerhalb dieses Bereichs B, wenn die Brennkraftmaschine unbefeuert ist.

Figur 4 zeigt daher beispielhaft einen Verlauf des Verfahrens. In Schritt 1000 empfängt das Steuergerät 70 vom Drehwinkelsensor 200 ein Signal, das Zahnzeiten des Geberrades entspricht. Hieraus wird die Drehzahl n der Brennkraftmaschine ermittelt. Über eine Zahnlücke des Geberrads wird ferner die Winkellage φ der Kurbelwelle ermittelt.

Die Energie E wird berechnet als

E = Erot + Eosz + Ecomp. Die Terme der Energie Eosz, Ecomp können als Summe der entsprechenden Beiträge über alle Zylinder der Brennkraftmaschine ermittelt werden, oder für jeden Zylinder separat. Erot ist hierbei eine kinetische Rotationsenergie, die ermittelt wird als

Erot = - ₂ Q _rot n ² ,

Wobei 9rot eine vorgebbare Konstante ist, die dem Trägheitsmoment der Kurbel- welle 50 und der damit drehfest verbundenen Teile entspricht.

Eosz ist eine kinetische Energie, die aus der Auf- und Ab-Bewegung der Kolben 30 herrührt. Sie wird ermittelt als

rriosz ist eine vorgebbare Konstante, die der Masse der sich mit dem Kolben 30 auf- und abbewegenden Teile entspricht, VK ist die Geschwindigkeit der Auf- und Abbewegung der jeweiligen Kolben 30 im Zylinder 10. Sie wird ermittelt als ι κ = η (φ), f ist eine Funktion der Winkellage φ, die beispielsweise in einem Kennfeld hinterlegt ist. Ecomp ist die mechanische Arbeit, die durch die Kompression und Expansion des im Zylinder 10 enthaltenen Gases geleistet wird. Es wird ermittelt als

Ecomp = ^ (p ₂ V ₂ - ^i). Hierbei sind p der Zylinderdruck und V das Volumen des Zylinders 10 oberhalb des Kolbens 30. Die Subskripte 1, 2 stehen hierbei für einen ersten Zeitpunkt und einen zweiten Zeitpunkt, zwischen denen diese Kompressionsarbeit Ecomp geleistet wird, /e ist eine vorgebbare Größe, die dem Isotropenexponent des im Zylinder enthaltenen Gases entspricht. Vorzugsweise wird κ abhängig von einer Temperatur und/oder einem Druck der Umgebungsluft ermittelt. Das Volumen V wird als Funktion der Winkellage φ beispielsweise aus einer Tabelle ausgelesen, der Druck p wird aus der allgemeinen Gasgleichung abgeleitet. Der dem Sub- skript 1 entsprechende Initialzeitpunkt kann dem Zeitpunkt entsprechen, bei dem das entsprechende Einlassventil 160 geschlossen wird. Zu diesem Zeitpunkt ent- spricht der Druck p bis auf einen in einer Tabelle vorgebbaren Korrekturterm näherungsweise dem Druck im Saugrohr 80, der beispielsweise mit einem Saug- rohrdrucksensor ermittelt wird. Selbstverständlich ist es auch möglich, den Druck p mit einem Zylinderdrucksensor zu ermitteln. Im folgenden Schritt 1020 wird der berechnete Verlauf der Energie E über einen vorgebbaren Zeitraum, beispielsweise ein halbes Arbeitsspiel, aus dem Zeitbereich in den Frequenzbereich transformiert. Die Phasenachse im Frequenzbereich wird dabei derart gewählt, dass die Nulllage einem vordefinierten Phasenwinkel entspricht. Dies kann beispielsweise mit Hilfe von sogenannten Synchros geschehen, zu denen die Brennkraftmaschine 70 unter Zuhilfenahme des Signals des Drehzahlgebers 200 ermittelt, dass die Phasenlage einem vorgebbaren Phasenwinkel entspricht.

Im folgenden Schritt 1030 wird der Phasenwinkel ermittelt, den die Zündfre- quenz-Fourierkomponente im Amplitudenspektrum zeigt. Dies kann beispielsweise bei einer diskreten Fourieranalyse diejenige Komponente sein, deren Periode dem Quotienten w/Z aus Winkelbereich eines Arbeitsspiels w und Anzahl Z der (befeuerten) Zylinder entspricht. Der so ermittelte Phasenwinkel ist wegen der Wahl der Phasenachse der relative Phasenwinkel Δφ.

Im folgenden Schritt 1040 wird ermittelt, ob der relative Phasenwinkel Δφ innerhalb des vorgebbaren Bereichs B liegt. Ist dies der Fall, folgt Schritt 1050, in dem entschieden wird, dass der Zylinder 10 befeuert wird, dass die Brennkraftmaschine also angeschaltet ist. Ist dies nicht der Fall, folgt Schritt 1060, in dem ent- schieden wird, dass der Zylinder 10 nicht befeuert wird, dass die Brennkraftmaschine also angeschaltet ist.

Damit endet das Verfahren.