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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Bestimmung des Brennraumdruckverlaufes
in Abhängigkeit
vom Kurbelwellenwinkel bei einer Brennkraftmaschine, die wenigstens
einen Brennraumdrucksensor bzw. Zylinderdrucksensor und einen Kurbelwellenwinkelsensor
aufweist, nach der Gattung des Hauptanspruchs.
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Aus
der
DE 43 41 796 A1 ist
ein Verfahren zur Bestimmung der Verbrennungslage im Brennraum einer
Brennkraftmaschine bekannt, das dazu dient, eine Kenngröße zu ermitteln,
um Einfluss auf die Verbrennungslage auszuüben. Hierzu wird ein Brennraumdruck
und ein Kompressionsdruck erfasst und die Differenz aus beiden ermittelt.
Anschließend wird
aus der ermittelten Differenz das Integral gebildet. Dieses Integral
bildet den Ausgang zur Ermittlung einer Stellgröße für eine Regelung der Lage der Verbrennung.
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Aus
der
DE 43 18 504 C1 ist
es bekannt, den Zündzeitpunkt
im Teilllastbereich, insbesondere im Leerlauf, auf einen für den Wirkungsgrad
optimalen Wert einzustellen. Dabei wird zunächst der auf die Bewegung des
Kolbens im Zylinder zurückgehende Gasdruck
bestimmt und vom tatsächlich
gemessenen Zylinderdruck subtrahiert. Aus der dem Verbrennungsdruck
proportionalen Differenz der Drücke
lässt sich
dann eine von der Kolbenbewegung unabhängige Messzahl für den Fortschritt
der Verbrennung gewinnen und daraus ein Schätzwert für den thermodynamischen Verbrennungsschwerpunkt
ableiten. Die Abweichung dieses Schätzwertes von dem für jeden Motor
bekannten optimalen Verbrennungsschwerpunkt liefert das gesuchte
Regelsignal für
die Zündwinkel-Vorsteuerung.
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Aus
der Druckschrift „Garssen,
H.-G., Magori, V.: A Model-based Sensor for the Adaptation of Internal
Combustion Engines. In: Sensors and Actuators A, volume 41 bis 42
(1994), 207–211" ist die Verwendung
eines gemessenen Druckverlaufs in einem ersten Kurbelwinkelabschnitt
bis zur Zündung,
eine Approximation dieses gemesenen Druckverlaufs durch die Polytropengleichung
und Extrapolation des approximierten Verlaufs in einem Kurbelwinkelabschnitt,
in dem die Verbrennung stattfindet, bekannt.
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Es
ist bekannt, in Zylindern von Brennkraftmaschinen, Brennraumdrucksensoren
einzusetzen und deren Ausgangssignale zur Ermittlung von Größen, die
den Verbrennungsvorgang im Zylinder der Brennkraftmaschine beschreiben,
zu gewinnen. Dabei ist es beispielsweise bekannt, das sogenannte Differenzdruckintegral
zu ermitteln. Dieses Differenzdruckintegral ist ermittelbar, wenn
eine Differenz gebildet wird zwischen dem im gefeuerten Betrieb
gemessenen Brennraumdruckverlauf und dem Druckverlauf im geschleppten
Betrieb der Brennkraftmaschine, also ohne Verbrennung und diese
Differenz aufintegriert wird. Dieses Differenzdruckintegral ist eine
sehr wesentliche Größe, da sich
mit Hilfe seiner Größe erkennen
läßt, wie
die Verbrennung abgelaufen ist und ob überhaupt eine Verbrennung stattgefunden
hat oder ob ein Verbrennungsaussetzer aufgetreten ist. Über die
Schwerpunktlage des Differenzdruckintegrals oder seine 50%-Lage
läßt sich eine
Verbrennungslageregelung durchführen,
da diese beiden Größen gut
miteinander korrelieren.
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Das
Problem bei der exakten Berechnung des Differenzdruckintegrals besteht
darin, daß bei normalem
Betrieb, also bei gefeuertem Betrieb, bei dem Verbrennungen stattfinden
sollen, der tatsächliche
Druckverlauf über
dem Kurbelwellenwinkel im Brennraum zwar gemessen werden kann, der
geschleppte Verlauf jedoch nicht vorliegt und nach irgendwelchen
Kriterien ermittelt werden muß.
Für die Ermittlung
des geschleppten Brennraumdruckverlaufs gibt es bereits einige Vorschläge. So wird
beispielsweise in der Druckschrift
WO
89/03 983 ein Verfahren beschrieben, bei dem der im geschleppten Betrieb,
also ohne Verbrennung zu erwartende Druckverlauf berechnet wird,
indem der gemessene Druckverlauf über dem Kurbelwellenwinkel
oberhalb eines Kurbelwellenwinkels, der dem oberen Totpunkt OT entspricht,
an einer durch den Kurbelwellenwinkel α = OT verlaufenden Achse gespiegelt
wird. Dadurch ergibt sich ein symmetrischer Kurvenverlauf zur Achse
durch den oberen Totpunkt OT. Durch Vergleich des gespiegelten Druckverlaufs
mit dem tatsächlich
gemessenen Druckverlauf und Integration der Differenz läßt sich
das Differenzdruckintegral, das als Maß für die aufgetretene Verbrennung
verwendet wird, ermitteln.
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Bei
der Festlegung des Druckverlaufs über dem Kurbelwellenwinkel
im geschleppten Betrieb nach der vorstehend beschriebenen Methode
können
Fehlmessungen auftreten, wenn der Zündzeitpunkt „früh" liegt. Bei einem
solchen frühen
Zündzeitpunkt,
bei dem eine Entflammung im Zylinder bereits bei der OT-Lage oder
gegebenenfalls schon vorher auftritt, handelt es sich bei dem durch
Spiegelung am OT gebildeten Druckverlauf nicht mehr um den Brennraumdruckverlauf
für geschleppten
Betrieb, da bereits Drucksteigerungen, die vom Verbrennungsvorgang
selbst erzeugt werden, den Druckverlauf beeinflussen.
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Vorteile der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Bestimmung eines Brennraumdruckverlaufs bzw. des Zylinderdruckverlaufs
in Abhängigkeit
vom Kurbelwellenwinkel einer Brennkraftmaschine mit wenigstens einem
Zylinderdrucksensor und einem Kurbelwellenwinkelsensor hat demgegenüber den
Vorteil, daß ein
Brennraumdruckverlauf ermittelbar ist, der mit Sicherheit durch
Verbrennungsvorgänge
verfälscht
ist und somit den im geschleppten Betrieb zu erwartenden Brennraumdruckverlauf
wiedergibt. Erzielt wird dieser Vorteil, indem bei einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 der Brennraumdruckverlauf aus wenigstens drei aufeinander folgenden
Teilverläufen
zusammengesetzt wird, wobei in einem ersten Kurbelwellenwinkelbereich
ein gemessener Druckverlauf verwendet wird, in einem zweiten Kurbelwellenwinkelbereich
ein unter Berücksichtigung
thermodynamischer Gegebenheiten berechneter Brennraumdruckverlauf
und in einem dritten Kurbelwellenwinkelbereich ein durch Spiegelung der
beiden ersten Teilbereiche erhaltener Brennraumdruckverlauf verwendet
wird.
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Durch
Berücksichtigung
meßbarer
Besonderheiten des Brennraumdruckverlaufs über dem Kurbelwellenwinkel
lassen sich vorteilhafte Anpassungen bei der Bestimmung des Brennraumdruckverlaufes
im geschleppten Betrieb erzielen. Insbesondere können in vorteilhafter Weise
die motorischen Verluste, die bei den meisten Motoren bzw. Brennkraftmaschinen
nicht vermeidbar sind, genau kompensiert werden, wenn der gesamte
berechnete Brennraumdruckverlauf um wenige Grad KW nach „spät" verschoben wird.
Dabei wird eine Verschiebung des berechneten Brennraumdruckverlaufs
beispielsweise um 3 Grad Kurbelwellenwinkel in Richtung größerer Kurbelwellenwinkel
durchgeführt.
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Weitere
Vorteile der Erfindung werden durch die in den Unteransprüchen angegebenen
Maßnahmen
erzielt. Dabei ist es besonders vorteilhaft, daß das sogenannte Differenzdruckintegral,
das aus der Differenz zwischen gemessenem Brennraumdruckverlauf
und erfindungsgemäß bestimmten
Brennraumdruckverlauf und Integration der Differenzen erhalten wird,
besonders exakt bestimmt werden kann. Damit läßt sich auch eine besonders
genaue Regelung der Brennkraftmaschine durchführen, beispielsweise eine Regelung
der Verbrennungslage über
den Schwerpunkt oder die 50%-Lage des Differenzdruckintegrals.
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Um
Nullpunktfehler der Brennraumdrucksensoren auszuschließen, kann
in vorteilhafter Weise ein Referenzpunkt gewählt werden, bei dem der Brennraumdruck
ungefähr
bekannt ist, dies ist beispielsweise der Ladungswechsel-OT, bei dem bei Saugmotoren
etwa Umgebungsdruck herrschen muß. Unter Voraussetzung einer linearen
Sensorcharakteristik kann dann die Referenzspannung von der Sensorspannung
in der Hochdruckphase abgezogen werden und so in vorteilhafter Weise
ein Referenzdruck, der etwa dem Umgebungsdruck entspricht, zum berechneten
Brennraumdruckverlauf hinzuaddiert werden. Anhand einer Plausibilitätsuntersuchung
für den Referenzpunkt
lassen sich Fehlmessungen in vorteilhafter Weise erkennen.
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Zeichnung
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Die
Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert. Im
einzelnen zeigt 1 eine an sich schon bekannte
Einrichtung zur Erfassung des Druckverlaufs in den Zylindern einer
Brennkraftmaschine. 2 zeigt den Verlauf des gemessenen
Brennraumdrucks über
dem Kurbelwellenwinkel sowie den erfindungsgemäß ermittelten Brennraumdruckverlauf
im geschleppten Betrieb. In 3 ist ein
gemessener und ein berechneter Brennraumdruckverlauf im geschleppten
Betrieb über
dem Kurbelwellenwinkel dargestellt und 4 zeigt
einen berechneten Druckverlauf und einen gespiegelten über dem
Kurbelwellenwinkel. 5 zeigt eine Fehlerbetrachtung bei
Verwendung eines herkömmlichen
Verfahrens und des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Berechnung des Druckverlaufs im geschleppten Betrieb.
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Beschreibung
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In 1 sind
die erfindungswesentlichen Bestandteile einer Brennkraftmaschine
dargestellt, für
die das erfindungsgemäße Verfahren
zur Bestimmung eines Brennraumdruckverlaufs in Abhängigkeit vom Kurbelwellenwinkel
der Brennkraftmaschine durchgeführt
werden kann. Bei einer solchen Vorrichtung sind in den Zylindern 10, 11, 12 und 13 der Brennkraftmaschine
jeweils Zylinderdrucksensoren 14, 15, 16 und 17 angeordnet,
die im wesentlichen druckproportionale Ausgangsspannungen U1, U2, U3
und U4 abgeben. Weiterhin ist ein Kurbelwellensensor 18 vorhanden,
der ein für
den Kurbelwellenwinkel α charakteristisches
Ausgangssignal S1 abgibt.
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Sowohl
die Ausgangsspannungen 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 19 weitere
Signale, beispielsweise eine Temperatur T, eine Last L usw. zugeführt werden,
die im Steuergerät 19 ebenfalls
weiter verarbeitet werden können.
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Das
Steuergerät 19 umfaßt einen
Mehrkanal-Analog-/Digitalwandler 22,
dem die Ausgangsspannungen der Zylinderdrucksensoren zugeführt werden.
Die eigentliche Signalauswertung 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 abgibt
und beispielsweise werden Zünd-
und/oder Einspritzimpulse vom Steuergerät in Abhängigkeit vom Brennraumdruckverlauf
abgegeben. Der Mikroprozessor 23 umfaßt im übrigen neben der zentralen Prozessoreinheit
in üblicher
Weise Speicher u. ä..
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Im
Mikroprozessor 23 des Steuergerätes 19 erfolgt die
eigentliche Signalverarbeitung sowie die Berechnungen, die erforderlich
sind, um den gesamten Druckverlauf über ein Arbeitsspiel des Zylinders zu
erhalten. Dazu wird zunächst
das druckproportionale elektrische Spannungssignal, beispielsweise
U1 mit dem Kurbelwellenwinkel α synchronisiert.
Danach liegen dem Mikroprozessor 23 kurbelwellenwinkelbezogene
Druckwerte P1 (α)
vor, die für
die erforderlichen Berechnungen zur Verfügung stehen.
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Zum
Erhalt des tatsächlichen
Brennraumdruckverlaufs im normalen Betriebszustand der Brennkraftmaschine
erfolgt die Signalauswertung in einem Bereich von –360°KW bis 360°KW, oder
je nach Anwendung kleiner. Der Signalverlauf, der real erhalten
wird, ist in der oberen Kurve der 2 dargestellt.
Das zu ermittelnde Differenzdruckintegral I läßt sich nur berechnen, wenn
auch der Druckverlauf im geschleppten Betrieb exakt bekannt ist.
Wie dieser Brennraumdruckverlauf aus drei Teilverläufen im geschleppten
Betrieb ermittelt wird, wird im folgenden näher erläutert. In einem ersten Kurbelwellenwinkelbereich,
der sich beispielsweise von –360°KW bis –30°KW erstreckt,
also 30°KW
vor dem oberen Totpunkt endet, wird der Brennraumdruckverlauf im geschleppten
Betrieb so festgelegt, daß er
dem gemessenen Brennraumdruckverlauf entspricht. In diesem Bereich,
der mit B1 bezeichnet ist treten mit Sicherheit bei korrekten Verbrennungsumständen keine
Verbrennungsvorgänge
auf, so daß der
real gemessene Druckverlauf auch identisch dem Druckverlauf im geschleppten
Betrieb entspricht. In einem weiteren Bereich, der mit B2 bezeichnet
ist und sich an den Bereich B1 anschließt und bis zum oberen Totpunkt
OT reicht, wird der Druckverlauf im geschleppten Betrieb anhand
der zu erwartenden theromodynamischen Verhältnisse im Zylinder der Brennkraftmaschine
ermittelt. Es wird dabei der Verdichtungs- bzw. Kompressionsdruck
bis zum oberen Totpunkt OT mit Hilfe der Polytropengleichung berechnet.
Da in diesem Bereich B2 bereits Verbrennungen beginnen können, würde eine
Auswertung des gemessenen Brennraumdruckverlaufs bei der Bestimmung des
Brennraumdruckverlaufs im geschleppten Betrieb zu Fehlern führen und
wird daher nicht durchgeführt.
Aus dem in den Bereichen B1 und B2 ermittelten Brennraumdruckverlauf
im geschleppten Betrieb wird im folgenden der Brennraumdruckverlauf
im geschleppten Betrieb im Bereich B3 ermittelt, der sich vom oberen
Totpunkt OT bis zum Kurbelwellenwinkel 360°KW erstreckt. Dieser Druckverlauf
sollte für
einen idealen Motor spiegelbildlich zum Druckverlauf zwischen –360°KW und OT
sein. Es wird daher im Bereich B3 ein Druckverlauf angenommen, der
einer Spiegelung des Druckverlaufs zwischen –360°KW und OT entspricht. Die Druckkurve
wird daher an einer Linie, die durch OT läuft, gespiegelt. Als Formel läßt sich
die Vorgehensweise wie folgt darstellen: P(i)
= p(k)·(v(k)/v(i))n
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In
dieser Gleichung bedeuten die einzelnen Größen: p(i): Druck zwischen dem
letzten gemessenen Druckwert und OT
- p(k):
- Letzter gemessener
Verdichtungsdruckwert
- v(k):
- Zylindervolumen, ab
dem der Verdichtungsdruck berechnet wird
- v(i):
- Zylindervolumen zum
Berechnungszeitpunkt
- n:
- Polytropenexponent,
der beispielsweise experimentell ermittelt wird.
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Der
Ausdruck (v(k)/v(i))n kann zur Verringerung
der Rechenzeit in Speichermitteln des Mikroprozessors 23 des
Steuergerätes 19 tabellarisch
abgelegt werden. Mit diesen Voraussetzungen läßt sich der Brennraumdruckverlauf
im geschleppten Betrieb laufend ermitteln. Wird er vom gemessenen
Brennraumdruckverlauf abgezogen und die Differenz aufintegriert,
wird das Differenzdruckintegral I, das in 2 als schraffierte
Fläche
dargestellt ist, erhalten. Die Subtraktion sowie die Integration
der Differenzwerte wird ebenfalls im Mikroprozessor 23 durchgeführt. Das
Differenzdruckintegral steht dem Mikroprozessor 23 dann
für weitere
Berechnungen bzw. Auswertungen und Regelschritte zur Verfügung. Beispielsweise
wird in bekannter Weise der Flächenschwerpunkt
des Integrals I bestimmt oder die 50%-Lage des Differenzdruckintegrals, wobei
anhand dieser Größen weitere
Regelvorgänge
durchgeführt
werden können.
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Bei
der Auswertung und dem Vergleich zwischen gemessenem Druckverlauf,
gerechneten Druckverlauf und gespiegeltem Druckverlauf hat sich gezeigt,
daß gegebenenfalls
weitere Anpassungen bei der Bestimmung des Brennraumdruckverlaufs
im geschleppten Betrieb erfolgen sollten. Es wurde dabei bei der
Auswertung erkannt, daß die
motorischen Verluste besser berücksichtigt
werden, wenn der gesamte berechnete Druckverlauf um wenige Grad
KW nach „spät" verschoben wird,
also wenn der gesamte berechnete Druckverlauf um wenige Grad KW
zu höheren
Kurbelwellenwinkelwerten verschoben wird. Dabei wurde nur die Zuordnung
von p(i) = f(i) verschoben in: p(i-1) = f(i). Da die Rechenschritte
3°KW betragen,
beträgt
auch die Verschiebung 3°KW.
Mit einer solchen Verschiebung läßt sich
die ermittelte Kurve für
den Brennraumdruckverlauf in geschlepptem Betrieb sehr gut an einen
realen Verlauf unter Berücksichtigung
der nicht zu vermeidenden motorischen Verluste anpassen.
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Zur
Ausschaltung des Nullpunktfehlers (Drift) des Zylinderdrucksensors
bzw. der Zylinderdrucksensoren kann eine Korrektur anhand eines
Referenzpunktes durchgeführt
werden. Als Referenzpunkt kann dabei ein Kurbelwellenwinkel gewählt werden,
bei dem der Druck ungefähr
bekannt ist. Dies ist beispielsweise im Ladungswechsel-OT der Fall.
Im Ladungswechsel-OT entspricht der Brennraumdruck bzw. Zylinderdruck
bei Saugmotoren etwa dem Umgebungsdruck. Bei linearer Sensorcharakteristik
wird die Referenzspannung von der Sensorspannung in der Hochdruckphase
abgezogen und der Referenzdruck (ein ungefährer Umgebungsdruck) dazuaddiert.
Für diese
Korrektur der Nullpunktdrift gilt somit: p(j)
= p0 + m·(u(j) – u0)
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Dabei
bedeuten im einzelnen:
- p(j):
- Gemessener Druck
- p0:
- Ungefährer Umgebungsdruck
- u0:
- Spannung des Drucksensors
im Ladungswechsel-OT
- u(j):
- Spannung des Drucksensors
- m:
- Steigung der Sensorkennlinie
bei linearem Zusammenhang zwischen Druck und Spannung.
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Durch
den vorstehend wiedergegebenen Zusammenhang läßt sich somit ein Referenzpunkt
für die
Berechnung gewinnen, der sehr wichtig ist. Damit eine Fehlmessung
nicht die gesamte Berechnung zerstört, muß der Referenzpunkt entweder
stark gefiltert werden oder er muß auf Plausibilität überprüft werden
und beispielsweise mit einem erwarteten Druckwert verglichen werden,
wodurch bei zu starker Abweichung auf einen Fehler geschlossen werden kann.
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Bei
guter Anpassung der einzelnen Parameter, u. a. auch des Polytropenexponenten
n läßt sich der
Druckverlauf der geschleppten Brennkraftmaschine sehr gut nachbilden. 3 zeigt
einen Zusammenhang zwischen einem im geschleppten Betrieb gemessenen
Druckverlauf PG1 und einem berechneten Druckverlauf PB1. Speziell
bei sehr frühen Zündwinkeln
wird eine sehr gute Übereinstimmung erhalten,
da Einflüsse
durch vorzeitige Verbrennungen keine Auswirkungen auf den berechneten
Druckverlauf haben.
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Wie
die 4, in der ein berechneter Druckverlauf PB2 und
ein an OT gespiegelter Druckverlauf PG2 dargestellt sind, zeigt,
ist die Übereinstimmung zwischen
dem berechneten und den gespiegelten Druckverlauf nicht optimal,
da speziell bei sehr frühen Zündwinkeln
ein Teil des „Verdichtungsdruckes" schon von der Verbrennung
hervorgerufen wird. Dadurch wird das berechnete Differenzdruckintegral
zu klein und auch die Schwerpunktlage ist nicht korrekt. Durch das
erfindungsgemäße Verfahren
ist es möglich,
das Differenzdruckintegral besonders genau zu ermitteln, damit wird
auch die Genauigkeit aller darauf basierender Verfahren erhöht. Dies
gilt für
die Aussetzererkennung und die Momentenberechnung, die anhand des
Differenzdruckintegrals in bekannter Weise durchgeführt werden.
Speziell bei der Ermittlung der Schwerpunktlage des Differenzdruckintegrals
zur Verbrennungslageregelung wird der Fehler bei herkömmlichen
Verfahren bei sehr frühen
Zündwinkeln
so groß,
daß die
Schwerpunktlage nicht mehr streng monoton vom Zündwinkel abhängig ist. Damit
ist keine Regelung mehr möglich.
In 5 ist der Zusammenhang zwischen Verbrennungslage VBL
in Grad KW nach dem oberen Totpunkt und Zündzeitpunkt ZZP in Grad KW
vor dem oberen Totpunkt bei konstanter Drehzahl für ein herkömmliches Verfahren
(Valt) und das erfindungsgemäße Verfahren
(Vneu) dargestellt.