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WO2002008593A1 - Determining the torque of an internal combustion engine - Google Patents

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WO2002008593A1
WO2002008593A1 PCT/DE2001/002636 DE0102636W WO0208593A1 WO 2002008593 A1 WO2002008593 A1 WO 2002008593A1 DE 0102636 W DE0102636 W DE 0102636W WO 0208593 A1 WO0208593 A1 WO 0208593A1
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WO
WIPO (PCT)
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ion current
torque
internal combustion
signal
function
Prior art date
Application number
PCT/DE2001/002636
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Markus Ketterer
Klaus-Juergen Wald
Winfried Langer
Achim Guenther
Juergen Foerster
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Publication of WO2002008593A1 publication Critical patent/WO2002008593A1/en

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02PIGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P17/00Testing of ignition installations, e.g. in combination with adjusting; Testing of ignition timing in compression-ignition engines
    • F02P17/12Testing characteristics of the spark, ignition voltage or current
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02DCONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D35/00Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for
    • F02D35/02Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for on interior conditions
    • F02D35/021Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for on interior conditions using an ionic current sensor
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02DCONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D2200/00Input parameters for engine control
    • F02D2200/02Input parameters for engine control the parameters being related to the engine
    • F02D2200/10Parameters related to the engine output, e.g. engine torque or engine speed
    • F02D2200/1002Output torque
    • F02D2200/1004Estimation of the output torque

Definitions

  • the invention relates to the estimation of the torque delivered by an internal combustion engine.
  • Modern internal combustion engines in motor vehicles are equipped with torque-controlled engine control systems.
  • the engine torque delivered by the internal combustion engine must enable a driving condition desired by the driver and ensure the operation of all components and auxiliary units.
  • the task of torque control is to set the internal torque from the combustion in the engine by means of a suitable choice of the motor control variables so that all losses due to friction, drive from
  • Auxiliary units, etc. are covered so that the torque delivered by the engine is sufficient to meet the driver's request (e.g. acceleration, maintaining speed, decelerating).
  • the position of the throttle valve is mainly adjusted electronically and / or the ignition angle is varied. Interventions in fuel metering and / or boost pressure in supercharged engines are further options. Since the drive power of the internal combustion engine is only electronically controlled in a torque-controlled system, special care must be taken when it comes to operational safety. Measures for monitoring the control of an internal combustion engine, which can also be used in the case of complete decoupling between an accelerator pedal (driver request) and the control elements which determine the engine torque, are described in DE-OS 195 36 038 (US Pat. No. 5,692,472). The actual engine torque is calculated from the engine's operating parameters, such as intake air mass, fuel air ratio lambda, ignition angle, etc.
  • a calculation of the engine torque output based on the evaluation of angular accelerations of the crankshaft is also known. This process works quite reliably for engines with a low number of cylinders. However, reliability decreases with an increasing number of cylinders.
  • Ion current measurements are based on the effect that when gases are burned, the gases involved are ionized by chemical and physical processes. If a voltage is applied to two electrodes protruding from the gas, an ion current can be measured.
  • the spark plug can be used as a measuring probe in internal combustion engines. After applying a voltage between the center electrode and ground, the ion current can be measured after the ignition spark has subsided.
  • a method and a device for detecting the ion current in internal combustion engines is known from WO 99/18350.
  • the object of the invention is to provide measures which allow reliable and cost-effective torque monitoring even in engines with gasoline direct injection in shift operation.
  • an unwanted increase in torque should be recognized when operating near zero load.
  • the invention is based on the idea of using ion current signals which can be detected in the combustion chamber of internal combustion engines for estimating the engine torque and thus for torque monitoring. Exemplary embodiments of the invention are described below with reference to the figures.
  • FIG. 1 shows a device suitable for detecting ion current signals.
  • Fig. 3 discloses a block diagram as an exemplary embodiment of the method according to the invention.
  • FIG. 1 shows an example of the arrangement of the ignition and measuring circuit for a cylinder.
  • the arrangements of the ignition and measuring circuit of other cylinders are identical for this.
  • the number 1 in FIG. 1 denotes a single spark coil with primary (L1) and secondary (L2) winding.
  • the primary winding is supplied with the battery voltage at one end.
  • the other end is connected to ground via an interrupter 2.
  • the interrupter 2 is activated via the control unit 13.
  • the high voltage end (positive polarity) of the secondary winding is via a diode 3 and a
  • High-voltage line 4 connected to a spark plug 5.
  • a current measuring means A and a voltage source 6 are connected in series.
  • the negative pole of the voltage source 6 is at ground.
  • a Zener diode 7 is connected in parallel with the current measuring means A and the voltage source 6.
  • the ignition is triggered by interrupting the primary circuit and there is a potential of several kV at the center electrode of the spark plug. After the breakdown voltage is reached, a spark current overflows Secondary winding, the diode 3, the high-voltage line 4, the spark gap of the spark plug 5 and the Zener diode polarized in passage.
  • the spark current breaks down. Because of the polarity of the voltage source 6, the diode 7 thus begins to block. As a result of the combustion of the fuel / air mixture triggered by the ignition, ions are formed in the combustion chamber. That caused by the voltage source 6
  • FIG. 1 also shows an angle encoder wheel 8 rotating at crankshaft speed, which bears markings 9, and an angle sensor 10, a segment wheel 11 rotating at camshaft speed and an associated sensor 12.
  • Segment wheel 11 and sensor 12 are used for
  • Cylinder identification The rotary movement of the angle sensor wheel coupled to the crankshaft of the internal combustion engine is converted into an electrical signal with the aid of the angle sensor 10 implemented as an inductive sensor, the periodicity of which represents an image of the periodic passing of the markings 9 on the angle sensor 10.
  • the time period between two successive increases in the signal level therefore corresponds to the time in which the crankshaft has continued to rotate over an angular range corresponding to the extent of a marking.
  • These time periods are processed in the control unit 13. 2 shows the time course of the ion current. Instead of plotting against time, the ion current could also be plotted against the crankshaft angle.
  • Fig. 2a shows an ion current curve, as it was measured with an engine at the operating point with 3000 revolutions / minute and zero load.
  • zero load describes the state in which the internal engine torque is just sufficient to maintain the speed without external load, for example in the decoupled state.
  • the 2b shows an ionic current curve as measured for the same motor at the same speed and medium load.
  • the motor applies a torque sufficient to maintain the speed despite an external load.
  • the external load corresponds here, for example, to the driving resistance of a motor vehicle at an average speed.
  • the ion current signal measured at the spark plug generally consists of two different components (load> zero), namely a flame front component (early) and a post-flame phase component (late).
  • An essential property for the invention is that the amplitude of the post-flame phase component is mainly determined by the engine load. With operation close to zero load, the amplitude is still very small or the post-flame phase component is completely absent. As the engine load increases and the engine torque increases, the amplitude increases steadily.
  • 3 shows a block diagram for the method according to the invention for estimating the torque delivered by an internal combustion engine.
  • Block 3.1 represents the combustion in the combustion chambers of the internal combustion engine.
  • Block 3.2 represents the detection of the ion current signals, for example with a device according to FIG. 1. From the ion current signals from block 3.2, a signal (feature) about the motor torque is generated in block 3.3. If an error is detected, i.e. in the event of an unexpected increase in torque, different reactions are conceivable, including triggering an emergency operation function or switching off the engine.
  • Ion current signal has a post-flame phase component within a predetermined angular range.
  • the control unit provides a measuring window for detection, within which a search is made for the post-flame phase maximum.
  • the measurement window is with respect to the
  • Crankshaft angle generated, for example, by specifying a specific number and position of teeth 9 of the encoder wheel 8.
  • the position and number of teeth can be calculated in the control unit depending on engine conditions (e.g. speed).
  • Ion current signal examined for the existence of a local maxima. If no local maximum is found [area before and after with smaller values], there is no post-flame phase component.
  • the post-flame phase component can be detected by determining the local maxima after low-pass filtering. This alternative takes advantage of the following signal properties: The part of the flame front is sometimes very jagged and sometimes has several maxima. In contrast, only low-frequency components are present in the post-flame phase component.
  • the entire ion current signal (flame front and post-flame phase component) is low-pass filtered with an adapted cut-off frequency.
  • the course of the flame front portion is smoothed and only has a local maximum.
  • the course of the post-flame phase portion is hardly influenced by the filtering.
  • the local maxima contained in the signal are determined. If only a local maximum occurs, there is no post-flame phase component.
  • the low-pass filtered signal is only evaluated within the measuring window area for the post-flame phase component.
  • an attempt is made to approximate the ion current signal by means of a para etrizable function.
  • the selected function contains or consists of one or two individual maxima (eg Gaussian functions), one of which is to represent the flame front and the other the post-flame phase component.
  • the parameters are determined by a suitable approximation method (eg method of least squares). If the function can be approximated sufficiently precisely with a single maximum, there is no post-flame phase component. Otherwise, functional approaches with two maxima are always necessary.
  • the ion current profiles are compared with stored pattern functions.
  • ion current pattern functions with different degrees of post-flame phase are stored in the control unit.
  • the sample function can be correctly aligned in time in a first step.
  • it is examined which of the correctly timed pattern functions represents the best estimate and thus approximation for the measured signal or for the strength of the post-flame phase component.
  • a torque value is assigned to each stored pattern function, so that the assignment of the measured ion current curve to a pattern function enables an at least rough estimation of the torque.

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Abstract

The invention relates to a method for estimating the torque of an internal combustion engine. Said method is characterised in that a measurement for the torque is estimated from the ion flux in the combustion chamber of the internal combustion engine during combustion, said flux being detected by an ion stream sensor.

Description

Bestimmung des Drehmomentes eines VerbrennungsmotorsDetermination of the torque of an internal combustion engine
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft die Abschätzung des von einem Verbrennungsmotor abgegebenen Drehmomentes .The invention relates to the estimation of the torque delivered by an internal combustion engine.
Moderne -Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen sind mit drehmomentgeführten Motorsteuerungssystemen ausgestattet. Das vom Verbrennungsmotor abgegebene Motormoment muß einen vom Fahrer gewünschten Fahrzustand ermöglichen und den Betrieb sämtlicher Komponenten und Zusatzaggregate sicherstellen. Die Aufgabe der Drehmomentführung besteht darin, durch eine geeignete Wahl der Motorstellgrößen das innere Moment aus der Verbrennung im Motor so einzustellen, dass sämtliche Verluste durch Reibung, Antrieb vonModern internal combustion engines in motor vehicles are equipped with torque-controlled engine control systems. The engine torque delivered by the internal combustion engine must enable a driving condition desired by the driver and ensure the operation of all components and auxiliary units. The task of torque control is to set the internal torque from the combustion in the engine by means of a suitable choice of the motor control variables so that all losses due to friction, drive from
Nebenaggregaten usw. abgedeckt werden, so dass das vom Motor abgegebene Drehmoment ausreicht, den Fahrerwunsch (z. B. Beschleunigung, Halten der Geschwindigkeit, Verzögern) zu erfüllen.Auxiliary units, etc. are covered so that the torque delivered by the engine is sufficient to meet the driver's request (e.g. acceleration, maintaining speed, decelerating).
Zur Einstellung des inneren Momentes wird hauptsächlich die Position der Drosselklappe elektronisch gesteuert eingestellt und/oder der Zündwinkel variiert. Weitere Möglichkeiten bestehen in Eingriffen in die Kraftstoffzumessung und/oder den Ladedruck bei aufgeladenen Motoren. Da bei einem Drehmoment geführtem System die Antriebsleistung des Verbrennungsmotors nur elektronisch gesteuert verstellt wird, ist besondere Sorgfalt auf die Betriebssicherheit zu legen. Maßnahmen zur Überwachung der Steuerung eines Verbrennungsmotors, die auch bei völliger Entkoppelung zwischen einem Fahrpedal (Fahrerwunsch) und den Stellelementen, die das Motormoment bestimmen, anwendbar sind, werden in der DE-OS 195 36 038 (US 5,692,472) beschrieben. Dabei wird das Ist-Moment des Motors aus Betriebsparametern des Motors, wie Ansaugluftmasse, Kraftstoffluftverhältnis Lambda, Zündwinkel usw. berechnet. Diese Berechnung ist insbesondere bei Motoren mit Saugrohreinspritzung möglich. Bei Motoren mit Benzindirekteinspritzung liefert diese Methode jedoch zumindest im sogenannten Schichtbetrieb, der durch eine inhomogene Gemischverteilung unter Luftüberschuß im Brennraum gekennzeichnet ist, nicht befriedigende Ergebnisse. Verfahren zum zumindest zeitweisen Betreiben eines Motors im Schichtbetrieb sind aus der DE 198 13 381 bekannt.To adjust the internal torque, the position of the throttle valve is mainly adjusted electronically and / or the ignition angle is varied. Interventions in fuel metering and / or boost pressure in supercharged engines are further options. Since the drive power of the internal combustion engine is only electronically controlled in a torque-controlled system, special care must be taken when it comes to operational safety. Measures for monitoring the control of an internal combustion engine, which can also be used in the case of complete decoupling between an accelerator pedal (driver request) and the control elements which determine the engine torque, are described in DE-OS 195 36 038 (US Pat. No. 5,692,472). The actual engine torque is calculated from the engine's operating parameters, such as intake air mass, fuel air ratio lambda, ignition angle, etc. This calculation is particularly possible for engines with intake manifold injection. For engines with gasoline direct injection, however, this method does not provide satisfactory results, at least in so-called stratified operation, which is characterized by an inhomogeneous mixture distribution with excess air in the combustion chamber. Methods for at least temporarily operating an engine in shift operation are known from DE 198 13 381.
Weiter ist eine Berechnung des abgegebenen Motormomentes auf der Basis der Auswertung von Winkelbeschleunigungen der Kurbelwelle bekannt. Dieses Verfahren arbeitet bei Motoren mit niedriger Zylinderzahl recht zuverlässig. Die Zuverlässigkeit nimmt jedoch mit zunehmender Zylinderzahl ab.A calculation of the engine torque output based on the evaluation of angular accelerations of the crankshaft is also known. This process works quite reliably for engines with a low number of cylinders. However, reliability decreases with an increasing number of cylinders.
Als dritte Möglichkeit ist die Bestimmung des abgegebenen Momentes mit Hilfe eines mechanischen Drehmomentsensors möglich, der eine Torsionsmessung nutzt. Serienreife Drehmomentsensoren sind jedoch sehr teuer.As a third possibility, the determination of the delivered torque is possible with the help of a mechanical torque sensor that uses a torsion measurement. However, torque sensors that are ready for series production are very expensive.
Weiterhin wird seit langem versucht, Ionenstrommessungen für verschiedene Motorsteuerungs- und Diagnosefunktionen einzusetzen, beispielsweise zur Klopfdetektion, zur Verbrennungsaussetzererkennung, zur Schätzung des Verbrennungsdrucks bzw. der Lage des Druckmaximums, zur Bestimmung der Gemischzusammensetzung und zur Erkennung der Magerlaufgrenze .Furthermore, attempts have long been made to measure ion current for various motor control and diagnostic functions to be used, for example, for knock detection, misfire detection, for estimating the combustion pressure or the position of the pressure maximum, for determining the mixture composition and for recognizing the lean running limit.
Ionenstrommessungen basieren auf dem Effekt, dass bei Verbrennungen eine durch chemische und physikalische Vorgänge bedingte Ionisierung der beteiligten Gase erfolgt. Wird an zwei voneinander isoliert in das Gas hineinragenden Elektroden eine Spannung angelegt, kann ein Ionenstrom gemessen werden. Als Messonde kann bei Verbrennungsmotoren die Zündkerze verwendet werden. Nach Anlegen einer Spannung zwischen Mittelelektrode und Masse kann nach Abklingen des Zündfunkens der Ionenstrom gemessen werden.Ion current measurements are based on the effect that when gases are burned, the gases involved are ionized by chemical and physical processes. If a voltage is applied to two electrodes protruding from the gas, an ion current can be measured. The spark plug can be used as a measuring probe in internal combustion engines. After applying a voltage between the center electrode and ground, the ion current can be measured after the ignition spark has subsided.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung des Ionenstroms an Brennkraftmaschinen ist aus der WO 99/18350 bekannt.A method and a device for detecting the ion current in internal combustion engines is known from WO 99/18350.
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung in der Angabe von Maßnahmen, die eine zuverlässige und kostengünstige Momentenüberwachung auch bei Motoren mit Benzindirekteinspritzung im Schichtbetrieb erlauben. Insbesondere soll aus Gründen der Betriebssicherheit ein ungewollter Momentenzuwachs bei Betrieb in Nullastnähe erkannt werden.Against this background, the object of the invention is to provide measures which allow reliable and cost-effective torque monitoring even in engines with gasoline direct injection in shift operation. In particular, for reasons of operational safety, an unwanted increase in torque should be recognized when operating near zero load.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This object is achieved with the features of the independent claim. Advantageous developments of the invention are the subject of the dependent claims.
Die Erfindung basiert auf der Idee, im Brennraum von Verbrennungsmotoren erfaßbare Ionenstromsignale zur Abschätzung des Motormomentes und damit zur Drehmomentüberwachung zu nutzen. Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezug auf die Figuren beschrieben.The invention is based on the idea of using ion current signals which can be detected in the combustion chamber of internal combustion engines for estimating the engine torque and thus for torque monitoring. Exemplary embodiments of the invention are described below with reference to the figures.
Fig. 1 zeigt eine zur Erfassung von Ionenstromsignalen geeignete Vorrichtung.1 shows a device suitable for detecting ion current signals.
Fig. 2 zeigt Verläufe von Ionenstromsignalen für verschiedene Drehmomentwerte.2 shows courses of ion current signals for different torque values.
Fig. 3 offenbart ein Blockschaltbild als Auführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens .Fig. 3 discloses a block diagram as an exemplary embodiment of the method according to the invention.
In Figur 1 ist beispielhaft die Anordnung von Zündung und Messkreis für einen Zylinder dargestellt. Die Anordnungen von Zündung und Messkreis von weiteren Zylindern sind hierzu identisch. Die Ziffer 1 in der Figur 1 bezeichnet eine Einzelfunkenspule mit Primär- (Ll) und Sekundärwicklung (L2) . Die Primärwicklung wird an einem Ende mit der Batteriespannung beaufschlagt. Das andere Ende ist über einen Unterbrecher 2 mit Masse verbunden. Die Ansteuerung des Unterbrechers 2 erfolgt über das Steuergerät 13.FIG. 1 shows an example of the arrangement of the ignition and measuring circuit for a cylinder. The arrangements of the ignition and measuring circuit of other cylinders are identical for this. The number 1 in FIG. 1 denotes a single spark coil with primary (L1) and secondary (L2) winding. The primary winding is supplied with the battery voltage at one end. The other end is connected to ground via an interrupter 2. The interrupter 2 is activated via the control unit 13.
Das hoc spannungsseitige Ende (positive Polarität) der Sekundärwicklung ist über eine Diode 3 und eineThe high voltage end (positive polarity) of the secondary winding is via a diode 3 and a
Hochspannungsleitung 4 mit einer Zündkerze 5 verbunden. Am niederspannungsseitigen Ende sind ein Strommessmittel A und eine Spannungsquelle 6 (bspw. 200V) in Reihe geschalten. Der Minuspol der Spannungsquelle 6 liegt auf Masse. Parallel zum Strommessmittel A und zur Spannungsquelle 6 liegt eine Zenerdiode 7.High-voltage line 4 connected to a spark plug 5. At the low-voltage end, a current measuring means A and a voltage source 6 (for example 200V) are connected in series. The negative pole of the voltage source 6 is at ground. A Zener diode 7 is connected in parallel with the current measuring means A and the voltage source 6.
Durch Unterbrechung des Primärstromkreises wird die Zündung ausgelöst und es liegt ein Potenzial von mehreren kV an der Mittelelektrode der Zündkerze an. Nach Erreichen der Durchbruchspannung fließt ein Funkenstrom über Sekundärwicklung, die Diode 3, die Hochspannungsleitung 4, die Funkenstrecke der Zündkerze 5 und die in Durchlass gepolte Zenerdiode.The ignition is triggered by interrupting the primary circuit and there is a potential of several kV at the center electrode of the spark plug. After the breakdown voltage is reached, a spark current overflows Secondary winding, the diode 3, the high-voltage line 4, the spark gap of the spark plug 5 and the Zener diode polarized in passage.
Nach Abbau der in der Spule gespeicherten Energie bricht der Funkenstrom zusammen. Aufgrund der Polarität der Spannungsquelle 6 beginnt damit die Diode 7 zu sperren. Infolge der durch die Zündung ausgelösten Verbrennung des Kraftstoff/Luft-Gemisches werden im Brennraum Ionen gebildet. Die von der Spannungsquelle 6 verursachteAfter the energy stored in the coil is reduced, the spark current breaks down. Because of the polarity of the voltage source 6, the diode 7 thus begins to block. As a result of the combustion of the fuel / air mixture triggered by the ignition, ions are formed in the combustion chamber. That caused by the voltage source 6
Potenzialdifferenz zwischen den Elektroden der Zündkerze, hat eine gerichtete Bewegung der Ionen im elektrischen Feld zur Folge. Es bildet sich ein Ionenstrom aus, der über die Funkenstrecke der Zündkerze 5, die Spannungsquelle 6, das Strommessmittel A, die Sekundärspule, die Diode 3 und die Hochspannungsleitung 4 fließt. Die Amplitude des Ionenstromsignals wird vom Strommessmittel A erfasst und an das Steuergerät 13 weitergereicht.Potential difference between the electrodes of the spark plug results in a directional movement of the ions in the electrical field. An ion current is formed, which flows over the spark gap of the spark plug 5, the voltage source 6, the current measuring means A, the secondary coil, the diode 3 and the high-voltage line 4. The amplitude of the ion current signal is detected by the current measuring means A and passed on to the control unit 13.
Figur 1 zeigt ferner ein mit Kurbelwellendrehzahl rotierendes Winkelgeberrad 8, das Markierungen 9 trägt, sowie einen Winkelsensor 10, ein mit Nockenwellendrehzahl rotierendes Segmentrad 11 und einen zugehörigen Sensor 12.FIG. 1 also shows an angle encoder wheel 8 rotating at crankshaft speed, which bears markings 9, and an angle sensor 10, a segment wheel 11 rotating at camshaft speed and an associated sensor 12.
Segmentrad 11 und Sensor 12 dienen zurSegment wheel 11 and sensor 12 are used for
Zylinderidentifikation. Die Drehbewegung des mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine gekoppelten Winkelgeberrades wird mit Hilfe des als Induktivsensor realisierten Winkelsensors 10 in ein elektrisches Signal umgewandelt, dessen Periodizität ein Abbild des periodischen Vorbeistreichens der Markierungen 9 am Winkelsensor 10 darstellt. Die Zeitdauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Anstiege des Signalpegels entspricht daher der Zeit, in der sich die Kurbelwelle über einen dem Ausmaß einer Markierung entsprechenden Winkelbereich weitergedreht hat. Diese Zeitdauern werden in dem Steuergerät 13 verarbeitet. Fig. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf des Ionenstroms. Anstelle der Auftragung über der Zeit könnte der Ionenstrom auch über dem Kurbelwellenwinkel aufgetragen sein.Cylinder identification. The rotary movement of the angle sensor wheel coupled to the crankshaft of the internal combustion engine is converted into an electrical signal with the aid of the angle sensor 10 implemented as an inductive sensor, the periodicity of which represents an image of the periodic passing of the markings 9 on the angle sensor 10. The time period between two successive increases in the signal level therefore corresponds to the time in which the crankshaft has continued to rotate over an angular range corresponding to the extent of a marking. These time periods are processed in the control unit 13. 2 shows the time course of the ion current. Instead of plotting against time, the ion current could also be plotted against the crankshaft angle.
Fig.2a zeigt einen lonenstromverlauf, wie er bei einem Motor im Betriebspunkt mit 3000 Umdrehungen/Minute und Nullast gemessen wurde. Der Begriff der Nullast beschreibt den Zustand, in dem das innere Motormoment gerade ausreicht, um die Drehzahl ohne äußere Last, also beispielsweise im ausgekoppelten Zustand zu halten.Fig. 2a shows an ion current curve, as it was measured with an engine at the operating point with 3000 revolutions / minute and zero load. The term zero load describes the state in which the internal engine torque is just sufficient to maintain the speed without external load, for example in the decoupled state.
Fig. 2b zeigt einen lonenstromverlauf, wie er bei dem gleichen Motor bei gleicher Drehzahl und mittlerer Belastung gemessen wurde. In diesem Betriebspunkt bringt der Motor ein Drehmoment auf, das ausreicht, die Drehzahl trotz einer äußeren Last zu halten. Die äußere Last entspricht hier beispielsweise dem Fahrwiderstand eines Kraftfahrzeugs bei einer mittleren Geschwindigkeit.2b shows an ionic current curve as measured for the same motor at the same speed and medium load. At this operating point, the motor applies a torque sufficient to maintain the speed despite an external load. The external load corresponds here, for example, to the driving resistance of a motor vehicle at an average speed.
Im Vergleich beider Figuren fällt auf, dass das Signal in Fig. 2b zwei unterschiedliche Anteile aufweist, während das Signal der Fig. 2a nur ein hohes, wenn auch zerklüftetes Maximum besitzt. Das an der Zündkerze gemessene Ionenstromsignal besteht im allgemeinen Fall (Last > Null) aus zwei unterschiedlichen Anteilen, nämlich einem Flammenfrontanteil (früh) und einem Nachflammphasenanteil (spät) . Eine für die Erfindung wesentliche Eigenschaft liegt darin, dass die Amplitude des Nachflammphasenanteils hauptsächlich von der Motorlast bestimmt wird. Bei nullastnahe Betrieb ist die Amplitude noch sehr klein oder der Nachflammphasenanteil fehlt gänzlich. Mit zunehmender Motorlast und dem damit zunehmenden Motormoment wird die Amplitude stetig größer. Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild für das erfindungsgemäße Verfahren zur Abschätzung des von einem Verbrennungsmotor abgegebenen Drehmomentes.When comparing the two figures, it is striking that the signal in FIG. 2b has two different components, while the signal in FIG. 2a only has a high, albeit jagged, maximum. The ion current signal measured at the spark plug generally consists of two different components (load> zero), namely a flame front component (early) and a post-flame phase component (late). An essential property for the invention is that the amplitude of the post-flame phase component is mainly determined by the engine load. With operation close to zero load, the amplitude is still very small or the post-flame phase component is completely absent. As the engine load increases and the engine torque increases, the amplitude increases steadily. 3 shows a block diagram for the method according to the invention for estimating the torque delivered by an internal combustion engine.
Block 3.1 repräsentiert die Verbrennung in den Brennräumen des Verbrennungsmotors. Block 3.2 stellt die Erfassung der lonenstromsignale dar, beispielsweise mit einer Vorrichtung nach Fig. 1. Aus den Ionenstromsignalen aus Block 3.2 wird im Block 3.3 ein Signal (Merkmal) über das Motordrehmoment erzeugt. Bei erkanntem Fehlerfall, d.h. bei einem unerwarteten Momentenzuwachs, sind unterschiedliche Reaktionen bis hin zum Auslösen einer Notlauffunktion oder bis hin zum Abschalten des Motors denkbar.Block 3.1 represents the combustion in the combustion chambers of the internal combustion engine. Block 3.2 represents the detection of the ion current signals, for example with a device according to FIG. 1. From the ion current signals from block 3.2, a signal (feature) about the motor torque is generated in block 3.3. If an error is detected, i.e. in the event of an unexpected increase in torque, different reactions are conceivable, including triggering an emergency operation function or switching off the engine.
Dazu kann beispielsweise untersucht werden, ob dasFor this purpose, it can be examined, for example, whether that
Ionenstromsignal einen Nachflammphasenanteil innerhalb eines vorbestimmten Winkelbereichs aufweist.Ion current signal has a post-flame phase component within a predetermined angular range.
Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Positionen von Nachflamphasenmaximum und Druckmaximum sehr dicht beieinander liegen.It must be taken into account that the positions of the afterflame phase maximum and pressure maximum are very close to each other.
Zur Detektion stellt das Steuergerät ein Meßfenster zur Verfügung, innerhalb dessen nach dem Nachflammphasen- maximum gesucht wird. Das Meßfenster wird bzgl. desThe control unit provides a measuring window for detection, within which a search is made for the post-flame phase maximum. The measurement window is with respect to the
Kurbelwellenwinkels erzeugt, beispielsweise durch Vorgabe einer bestimmten Zahl und Lage von Zähnen 9 des Geberrades 8. Lage und Zahl der Zähne können im Steuergerät in Abhängigkeit von motorischen Zuständen (z.B. Drehzahl) berechnet werden. Innerhalb des Meßfensters wird dasCrankshaft angle generated, for example, by specifying a specific number and position of teeth 9 of the encoder wheel 8. The position and number of teeth can be calculated in the control unit depending on engine conditions (e.g. speed). Within the measurement window that will
Ionenstromsignal auf die Existenz eines lokalen Maximas hin untersucht. Wird kein lokales Maximum gefunden [Bereich davor und danach mit kleineren Werten] , so ist kein Nachflammphasenanteil vorhanden. Alternativ dazu kann der Nachflammphasenanteil durch eine Ermittlung der lokalen Maxima nach einer Tiefpassfilterung detektiert werden. Diese Alternative nutzt die folgende Signaleigenschaft aus: Der Flammenfrontanteil ist teilweise stark zerklüftet und weist mitunter mehrere Maxima auf. Im Nachflammphasenanteil sind demgegenüber nur niederfrequente Anteile vorhanden.Ion current signal examined for the existence of a local maxima. If no local maximum is found [area before and after with smaller values], there is no post-flame phase component. Alternatively, the post-flame phase component can be detected by determining the local maxima after low-pass filtering. This alternative takes advantage of the following signal properties: The part of the flame front is sometimes very jagged and sometimes has several maxima. In contrast, only low-frequency components are present in the post-flame phase component.
Zunächst wird das gesamte Ionenstromsignal (Flammenfront- und Nachflammphasenanteil) mit angepaßter Grenzfrequenz tiefpaßgefiltert. Dadurch wird der Verlauf des Flammenfrontanteils geglättet und weist nur noch ein lokales Maximum auf. Der Verlauf des Nachflammphasenanteils wird durch die Filterung kaum beeinflußt. Nach der Tiefpassfilterung werden die im Signal enthaltenen lokalen Maxima bestimmt. Tritt nur ein lokales Maxima auf, so ist kein Nachflammphasenanteil vorhanden.First, the entire ion current signal (flame front and post-flame phase component) is low-pass filtered with an adapted cut-off frequency. As a result, the course of the flame front portion is smoothed and only has a local maximum. The course of the post-flame phase portion is hardly influenced by the filtering. After the low-pass filtering, the local maxima contained in the signal are determined. If only a local maximum occurs, there is no post-flame phase component.
Die beiden oben dargestellten Alternativen können auch kombiniert werden. Mit anderen Worten: Das tiefpaßgefilterte Signal wird nur innerhalb des Meßfensterbereiches für den Nachflammphasenanteil ausgewertet .The two alternatives shown above can also be combined. In other words: the low-pass filtered signal is only evaluated within the measuring window area for the post-flame phase component.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird versucht, das Ionenstromsignal durch ein para etrisierbare Funktion zu approximieren. Die gewählte Funktion enthält oder besteht aus einer oder zwei Einzelmaxima (z.B. Gaußfunktionen), von denen eines den Flammenfront- und das andere den Nachflammphasenanteil repräsentieren soll. Durch ein geeignetes Approximationsverfahren werden die Parameter bestimmt (z.B. Methode der kleinsten Fehlerquadrate). Ist die Funktion mit einem Einzelmaximum ausreichend genau approximierbar, so ist kein Nachflammphasenanteil vorhanden. Ansonsten sind stets Funktionsansätze mit zwei Maxima notwendig. Im Rahmen eines weiteren Ausführungsbeispiels erfolgt ein Vergleich der lonenstromverläufe mit gespeicherten Musterfunktionen .In a further exemplary embodiment, an attempt is made to approximate the ion current signal by means of a para etrizable function. The selected function contains or consists of one or two individual maxima (eg Gaussian functions), one of which is to represent the flame front and the other the post-flame phase component. The parameters are determined by a suitable approximation method (eg method of least squares). If the function can be approximated sufficiently precisely with a single maximum, there is no post-flame phase component. Otherwise, functional approaches with two maxima are always necessary. In the context of a further exemplary embodiment, the ion current profiles are compared with stored pattern functions.
In Abhängigkeit von der Drehzahl sind im Steuergerät Ionenstrom-Musterfunktionen mit unterschiedlich stark ausgeprägtem Nachflammphasenanteil hinterlegt. Durch Vergleich/Korrelation zwischen Originalsignal und Musterfunktion kann die Musterfunktion in einem ersten Schritt zeitlich korrekt ausgerichtet werden. In einem zweiten Schritt wird untersucht, welche der zeitlich korrekt ausgerichteten Musterfunktionen die beste Schätzung und damit Annäherung für das gemessene Signal, bzw. für die Stärke des Nachflammphasenanteils darstellt.Depending on the speed, ion current pattern functions with different degrees of post-flame phase are stored in the control unit. By comparing / correlating the original signal and the sample function, the sample function can be correctly aligned in time in a first step. In a second step, it is examined which of the correctly timed pattern functions represents the best estimate and thus approximation for the measured signal or for the strength of the post-flame phase component.
Jeder gespeicherten Musterfunktion ist ein Drehmomentwert zugeordnet, so daß die Zuordnung des gemessenen lonenstromverlaufes zu einer Musterfunktion eine zumindest grobe Abschätzung des Drehmomentes ermöglicht.A torque value is assigned to each stored pattern function, so that the assignment of the measured ion current curve to a pattern function enables an at least rough estimation of the torque.
Für alle Ausführungsbeispiele gilt, dass eine Mittelung oder statistische Absicherung die Erkennungssicherheit verbessert. It applies to all exemplary embodiments that averaging or statistical verification improves the detection reliability.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Verfahren zur Abschätzung des Drehmomentes eines Verbrennungsmotors, dadurch gekennzeichnet, dass ein Maß für das Drehmoment aus dem im Brennraum des Verbrennungsmotors während der Verbrennung durch einen1. A method for estimating the torque of an internal combustion engine, characterized in that a measure of the torque from the in the combustion chamber of the internal combustion engine during the combustion by a
Ionenstromsensor erfaßten Ionenstrom abgeschätzt wird.Ion current sensor detected ion current is estimated.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Maß für das Drehmoment überprüft wird, ob der für eine einzelne Verbrennung erfaßte lonenstromverlauf neben einem ersten Maximum, dass einem Flammenfrontanteil entspricht, ein zweites lokales Maximum, dass einem Nachflammphasenanteil entspricht, aufweist.2. The method according to claim 1, characterized in that it is checked as a measure of the torque whether the ion current profile detected for a single combustion has, in addition to a first maximum that corresponds to a flame front component, a second local maximum that corresponds to an after-flame phase component.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb eines Meßfensters, dass bezüglich des Kurbelwellenwinkels als Funktion von Betriebsparametern definiert ist, überprüft wird, ob der Ionenstrom ein lokales Maximum aufweist.3. The method according to claim 1, characterized in that within a measurement window that is defined with respect to the crankshaft angle as a function of operating parameters, it is checked whether the ion current has a local maximum.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ionenstromsignal tiefpaßgefiltert wird und dass überprüft wird, ob das tiefpaßgefilterte Signal mehr als ein lokales Maximum aufweist. 4. The method according to claim 2, characterized in that the ion current signal is low-pass filtered and that it is checked whether the low-pass filtered signal has more than a local maximum.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ionenstromsignal durch eine parametrisierbare Funktion mit einem oder zwei lokalen Maxima approximiert wird und dass überprüft wird, ob das Ionenstromsignal durch eine Funktion mit einem lokalen Maximum mit einer vorbestimmten Mindestgenauigkeit approximierbar ist oder ob die geforderte Mindestgenauigkeit erst mit zwei parametrisierbaren Maxima erreicht wird.5. The method according to claim 2, characterized in that the ion current signal is approximated by a parameterizable function with one or two local maxima and that it is checked whether the ion current signal can be approximated by a function with a local maximum with a predetermined minimum accuracy or whether the required Minimum accuracy is only achieved with two parameterizable maxima.
6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das gemessene Ionenstromsignal mit im Steuergerät gespeicherten Ionenstrom-Musterfunktionen mit unterschiedlich stark ausgeprägten Nachflammphasenanteil verglichen wird, denen jeweils ein bestimmtes Motordrehmoment zugeordnet werden kann, und dass dem gemessenen Ionenstromsignal der Drehmomentwert derjenigen Musterfunktion zugeordnet wird, die die beste Annäherung für das gemessene Signal darstellt. 6. The method according to claim 2, characterized in that the measured ion current signal is compared with ion current pattern functions stored in the control unit with differently pronounced after-flame phase components, each of which can be assigned a specific engine torque, and that the measured ion current signal is assigned the torque value of that pattern function. which is the best approximation for the measured signal.
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