ES2345341T3 - Procedimiento para la deteccion del inicio de la combustion de un motor de combustion interna. - Google Patents

Abstract

Procedimiento para la detección del inicio de la combustión de un motor de combustión interna (1) con varios cilindros (2, 3, 4, 5) mediante una señal del número de revoluciones determinada para un árbol (6) del motor de combustión interna (1), en el cual - a partir de la señal del número de revoluciones se extrae al menos una señal de segmento (SS) con una longitud de señal correspondiente a un número entero de giros completos del árbol (6), de forma que en el intervalo de ángulo de giro representado por la longitud de señal, cada cilindro (2, 3, 4, 5) se encienda una vez, - la señal de segmento (SS) se divide en señales de cilindro (ZS1, ZS2, ZS3, ZS4) según el número de cilindros (2, 3, 4, 5) respectivo, conteniendo cada señal de cilindro (ZS1, ZS2, ZS3, ZS4) información sobre la ignición de un único cilindro (2, 3,4, 5), - la señal de cilindro (ZS1, ZS2, ZS3, ZS4) se transforma mediante una transformación de frecuencia en una señal de frecuencia de cilindro correspondiente (FS1, FS2, FS3, FS4) en un intervalo de frecuencia angular, contándose entonces para cada señal de frecuencia de cilindro (FS1, FS2, FS3, FS4) con valores de amplitud y de fase para frecuencias angulares discretas correspondientes, - de la señal de frecuencia de cilindro (FS1, FS2, FS3, FS4) para al menos una frecuencia angular dada se extrae la información de señal que incluye el inicio de la combustión en el cilindro (2, 3,4, 5) correspondiente mediante los valores de amplitud y de fase correspondientes a la frecuencia angular dada, extrayéndose el inicio de la combustión de la información de señal mediante comparación de los valores de amplitud y de fase de la frecuencia angular dada con valores empíricos y/o de referencia correspondientes, utilizándose la información de fase de la frecuencia angular, cuyo valor de amplitud sea superior a un umbral, para la detección del inicio de la combustión.

Description

Procedimiento para la detección del inicio de la combustión de un motor de combustión interna.

La invención se refiere a un procedimiento para la detección del inicio de la combustión de un motor de combustión interna con varios cilindros mediante una señal del número de revoluciones determinada para un árbol del motor de combustión interna.

Especialmente en un motor de combustión interna de autoignición puede ocurrir que la combustión no tenga lugar en el mejor momento en los cilindros correspondientes. Esta irregularidad no deseada está condicionada por los efectos de envejecimiento o por las tolerancias de fabricación. La consecuencia puede ser un aumento en la expulsión de gases de escape, un aumento del consumo de combustible o también un empeoramiento de la marcha concéntrica del motor de combustión interna.

Se conocen procedimientos para determinar el punto exacto del inicio de la combustión mediante sensores adicionales. US 5239473 detecta las igniciones fallidas basándose en una transformación de frecuencias de la señal del número de revoluciones. En DE 33 02 219 A1, así como en DE 197 49 817 A1, se describen procedimientos que determinan la evolución de la presión en el interior del cilindro mediante sensores de presión.

Además, en DE 25 13 289 A1, DE 44 13473 A1 y DE 196 12 180 C1 se dan a conocer procedimientos que registran el ruido estructural en la carcasa del motor de combustión interna. A partir de las señales de presión y de ruido estructural medidas de esta forma se deduce el inicio de la combustión del motor de combustión interna. Los sensores necesarios adicionalmente para los procedimientos conocidos representan un costoso esfuerzo adicional.

El objeto de la invención consiste en indicar un procedimiento del tipo mencionado anteriormente, que permita el registro del inicio de la combustión con medios lo más sencillos posible.

Este objeto se consigue mediante las características de la reivindicación 1. El procedimiento según la invención se puede aplicar básicamente sin sensores adicionales. La unidad de medición se basa únicamente en la señal del número de revoluciones, que generalmente se determina de todos modos y por lo tanto ya consta como dato en un dispositivo de control del motor de combustión interna. Además, el inicio exacto de la combustión se puede determinar sencillamente mediante la señal del cilindro transformada en el intervalo de frecuencia angular. Para ello no son necesarias operaciones de cálculo complejas. Dado el caso, para la transformación en el intervalo de frecuencia angular se puede recurrir a los procedimientos de transformación de señales ya existentes en el dispositivo de
control.

Las realizaciones especiales del procedimiento según la invención resultan de las reivindicaciones dependientes.

Los objetos de las reivindicaciones 2 y 3 se refieren respectivamente a un método ventajoso para generar la señal del cilindro, que comprende la información que se debe analizar del cilindro que interesa en cada momento.

Las realizaciones según las reivindicaciones 5 a 9 se refieren a posibilidades favorables para mejorar la señal, que se llevan a cabo especialmente antes de la transformación en el intervalo de frecuencia angular. Mediante estos pasos de procedimiento previos se puede determinar el inicio de la combustión de forma más exacta, puesto que entonces también se puede determinar con mayor exactitud la información relevante de la señal que se toma en el intervalo de frecuencia angular.

De acuerdo con la realización según la reivindicación 10 se puede mejorar el funcionamiento del motor de combustión interna utilizando el inicio de la combustión exactamente determinado para (re)ajustar el cilindro correspondiente. De esta forma se pueden evitar en gran medida las irregularidades descritas anteriormente.

Los ejemplos de realización preferidos, así como otras ventajas y otros detalles de la invención se describen ahora detalladamente en base a los dibujos. Para una mejor comprensión, el dibujo no está realizado a escala y algunos aspectos están representados sólo de forma esquemática. Muestran:

la fig. 1, un primer ejemplo de realización del procedimiento para la detección del inicio de la combustión y

la fig. 2, un segundo ejemplo de realización.

Las partes correspondientes de las figuras 1 y 2 están dotadas de los mismos símbolos de referencia.

El primer ejemplo de realización representado en la figura 1 sirve para la detección del inicio de la combustión de un motor de combustión interna 1, especialmente de autoignición, que presenta cuatro cilindros 2, 3, 4 y 5. El número de cilindros debe entenderse sólo a modo de ejemplo. El procedimiento puede aplicarse igualmente a un motor de combustión interna 1 con otra cantidad de cilindros. A un árbol 6, especialmente a un cigüeñal, del motor de combustión interna 1 está fijada una rueda transmisora 7, que presenta marcas equidistantes distribuidas en su perímetro. Estas marcas no mostradas en detalle en el ejemplo de realización pueden estar realizadas, por ejemplo, como dientes o también como orificios. Un sensor 8 asignado a la rueda transmisora 7, por ejemplo en forma de un captador inductivo, proporciona una serial en el momento en el que una de las marcas pasa por el sensor 8. Esta señal se conduce a un dispositivo de control 9.

El dispositivo de control 9 comprende, además de otras unidades no representadas, varias subunidades para la determinación del inicio de la combustión. Estas son una unidad de número de revoluciones 10, una unidad de promediación 11, una unidad de corrección de la rueda transmisora 12, una unidad de reconstrucción de señal 13, una unidad de segmentación 14, una unidad de análisis 15 y un regulador 16. Estas subunidades pueden estar separadas físicamente, por ejemplo como grupo constructivo electrónico separado, o presentarse como una única unidad física agrupada. Esto último es especialmente posible en el caso de una realización técnica y programática de las subunidades 10 a 16 en un procesador de señal. También sería posible una forma mixta.

A continuación se describen detalladamente el funcionamiento de la detección y del reajuste del inicio de la combustión. La señal del intervalo de tiempo proporcionada por el sensor 8 se transforma en la unidad de número de revoluciones 10 en una señal del número de revoluciones, que se base en el intervalo de ángulo de giro, como es habitual en el control de los motores de combustión interna. La señal del número de revoluciones indica, en función del ángulo de giro del árbol 6, la velocidad de giro del árbol y la aceleración de giro del mismo presente en cada momento.

A continuación, de la señal del número de revoluciones se extrae una señal de segmento SS con un intervalo de ángulo de giro, dentro del cual cada uno de los cilindros 3 a 5 se enciende exactamente una vez. En el ejemplo de realización, éste es un segmento correspondiente a un doble giro completo del árbol 6, es decir, con un intervalo de ángulo de giro de 720 grados. Sin embargo, según el tipo de motor de combustión interna 1 o del árbol 6, que podría ser tanto cigüeñal como un árbol de levas, utilizado para el registro de la señal del número de revoluciones, el intervalo del número de revoluciones de la señal de segmento SS también puede tener básicamente otro valor.

El registro de la señal del número de revoluciones y también de la señal de segmento se efectúa actualmente casi en cualquier dispositivo de control 9 de un motor de combustión interna 1. Es decir que no se trata de un medio de registro adicional especialmente previsto para la detección del inicio de la combustión.

Los pasos de procedimiento descritos a continuación parten siempre de la presencia de un estado de funcionamiento cuasi estacionario del motor de combustión interna 1.

Los pasos de procedimiento realizados en la unidad de promediación 11, la unidad de corrección de la rueda transmisora 12 y la unidad de reconstrucción de la señal 13 son opcionales. Tienen como función mejorar la calidad de la señal de segmento SS. A fin de cuentas, cuanto más alta sea la calidad, más exactamente podrá determinarse el inicio de la combustión.

En la unidad de promediación 11 se forma el valor medio aritmético de dos o varias señales de segmento SS consecutivas. De esta forma pueden eliminarse especialmente las fluctuaciones cíclicas que resultan, por ejemplo, de una combustión irregular.

Debido a las tolerancias de fabricación mecánicas pueden existir irregularidades en las marcas dispuestas en la rueda transmisora 7. Estas marcas pueden no encontrarse equidistantes entre sí. Las irregularidades que resultan por este motivo en la señal de segmento SS pueden eliminarse mediante procedimientos de corrección conocidos. En DE 41 33 679 A1, DE 42 21 891 C2 y DE 19622042 C2 se describen este tipo de procedimientos de corrección. Se determinan los valores de corrección que se almacenan en el dispositivo de control 9 y mediante los cuales los errores mencionados de la rueda transmisora se pueden eliminar de la señal del número de revoluciones y también de la señal de segmento.

Otra posibilidad para mejor la señal consiste en el uso de un procedimiento de reconstrucción de la señal. Las marcas en la rueda transmisora 7 se encuentran habitualmente a distancias angulares de 6 o también de 10 grados. Para algunas aplicaciones, este registro del número de revoluciones del árbol 6 es demasiado inexacto. Las aplicaciones actuales, como por ejemplo una regulación de marcha suave o también un control del inicio de la combustión, trabajan mejor si se utiliza una tasa de muestreo más alta. Sin embargo, el uso de una rueda transmisora 7 con un mayor número de marcas puede ser problemático, ya que al aumentar el número de marcas disminuye el espacio libre entre las marcas individuales y aumenta el riesgo de acumulación de suciedad. Una consecuencia posible sería el pasar por alto marcas individuales.

No obstante, la tasa de muestreo puede aumentarse mediante determinados procedimientos de tratamiento digital de señales. Una primera posibilidad es una interpolación en el intervalo del ángulo de giro entre los valores de registro determinados por la tasa de muestreo de la rueda transmisora 7. Además de una sencilla interpolación lineal también pueden considerarse en especial una interpolación de Lagrange o una interpolación sinc. La interpolación de Lagrange, especialmente ventajosa en este caso, es un procedimiento especial de interpolación polinómica. En comparación con otros polinomios de interpolación de mayor grado, que básicamente también podrían utilizarse, la interpolación de Lagrange tiene la ventaja de que puede utilizarse sin tener que solucionar un sistema de ecuaciones muy complicado. La interpolación sinc se basa en una operación de convolución matemática.

Tanto la interpolación de Lagrange como también la interpolación sinc proporcionan una reconstrucción exacta de la señal para una señal periódica y de banda limitada, en el ejemplo de realización la señal de segmento SS, teniendo en cuenta el teorema de muestreo, por lo cual se diferencian ventajosamente de una interpolación lineal o también de una interpolación polinómica de mayor grado.

Una segunda posibilidad para aumentar la tasa de muestreo es una transformación de frecuencia de la señal de segmento en el intervalo de frecuencia angular. Esta transformación se realiza en especial mediante una transformada discreta de Fourier (DFT) o una transformada discreta de Hartley (DHT). A diferencia de la transformada de Fourier, en las transformadas de Hartley se realizan, de forma ventajosa, únicamente operaciones puramente reales. Gracias a ello resulta un menor esfuerzo de cálculo. Ambas transformadas proporcionan respectivamente un valor de amplitud y uno de fase para frecuencias angulares discretas, que en el ámbito de los motores de combustión interna se denominan también órdenes. Una señal de reconstrucción continua para la señal de segmento SS resulta de una superposición de oscilaciones armónicas parciales de las órdenes (frecuencias angulares) para las cuales se determinaron las partes espectrales relevantes en el intervalo de frecuencia angular, es decir, valores de amplitud y de fase. Las oscilaciones armónicas parciales individuales están ponderadas con el valor de amplitud y de fase correspondiente en cada caso. De esta forma y cumpliendo con el teorema de muestreo es posible la reconstrucción exacta de la señal de segmento SS, siempre y cuando la señal que sirve de base sea periódica y de banda limitada.

Tanto el método de interpolación como también el de transformación de frecuencia proporcionan una señal reconstruida, que se presenta como expresión de función analítica. De ésta se puede extraer el valor necesario de la función en cualquier punto del intervalo de ángulo de giro, es decir, en especial también entre los puntos de registro determinados con técnicas de medición. De esta forma se obtiene el aumento de la tasa de muestreo, tal como se deseaba. Esto permite obtener una señal de segmento modificada con una mayor tasa de muestro, por ejemplo, con un registro cada 0,1 grados, a partir de una señal de segmento SS con una tasa de muestreo cada 10 grados.

Tanto el procedimiento de interpolación de Lagrange, que es especialmente ventajoso, así como también los procedimientos mencionados de transformadas de frecuencia (DFT, DHT) pueden realizarse como filtros FIR (= finite impulse response). Pero básicamente también son posibles otras formas de realización.

Tras haber pasado por las subunidades 11, 12 y/o 13 para mejorar la señal, se cuenta con una señal de segmento SS* mejorada, que contiene la información sobre el inicio de la combustión en los cilindros 2 a 5.

La señal de segmento SS* mejorada se divide en la unidad de segmentación 14 en un total de cuatro señales de cilindro ZS1, ZS2, ZS3 y ZS4. Cada señal de cilindro ZS1 a ZS4 contiene entonces tan sólo la información sobre la ignición en un único cilindro. En el presente ejemplo de realización, las señales de cilindro ZS1 a ZS4 pueden comprender un intervalo angular de hasta 180 grados. Sin embargo, lo oportuno sería una extracción de señales de cilindro ZS1 a ZS4 de la señal de segmento SS* mejorada, que sólo comprendiera un intervalo angular dentro del cual realmente tenga lugar el propio proceso de encendido en el cilindro 2 a 5 correspondiente, es decir, especialmente del intervalo que se encuentra respectivamente en el entorno del punto muerto superior del cilindro. Para ello es suficiente, por ejemplo, un intervalo de ángulo de giro de aproximadamente 40 a 50 grados.

Las señales de cilindro ZS1 a ZS4 determinadas de esta forma llegan a la unidad de análisis, que realiza una transformación de frecuencia en el intervalo de frecuencia angular para cada señal de cilindro ZS1 a ZS4. Esto puede ocurrir nuevamente mediante una DFT, una DHT o un filtrado digital, por ejemplo, en forma de un filtrado de banda digital con frecuencia central variable o en forma de bancos de filtros digitales. A partir de las señales de cilindro ZS1, ZS2, ZS3 y ZS4, esta transformación en el intervalo de frecuencia angular genera señales de frecuencia de cilindro FS1, FS2, FS3 y FS4 correspondientes. Estas últimas cuentan nuevamente con valores de amplitud y de fase respectivos para las frecuencias angulares discretas correspondientes.

Esta información de señal, es decir las frecuencias angulares junto a los valores de amplitud y de fase correspondientes, contienen la información contenida en la señal de cilindro ZS1 a ZS4 correspondiente sobre el estado de funcionamiento del cilindro 2 a 5 respectivo. A partir de esta información de señal pueden deducirse en especial y de forma sencilla, el inicio exacto de la combustión en el cilindro 2 a 5 respectivo. Esto se puede realizar mediante una comparación con, por ejemplo, valores empíricos o también con valores de referencia previamente determinados. Los valores empíricos y/o de referencia se encuentran almacenados preferiblemente en la unidad de análisis 15.

También puede recurrirse a la información de señal de las frecuencias angulares de señal especialmente fuerte. Para ello se consideran preferiblemente aquellas frecuencias angulares en las que el valor de amplitud se encuentra sobre un umbral, especialmente sobre el umbral de 3dB. La información de señal, preferiblemente la información de fase, de la frecuencia angular especial determinada de esta forma, se pone entonces a disposición de la unidad de análisis 15 como señal de inicio de la combustión BS1, BS2, BS3 y BS4, que representa el inicio de la combustión en el cilindro 2 a 5 respectivo.

Las señales de combustión BS1 a BS4 llegan a un regulador 16, que utiliza la información contenida sobre el inicio de la combustión para (re)ajustar el cilindro 2 a 5 correspondiente, al menos mientras que esto aún sea considerado como admisible por un limitador de ajuste prioritario existente. El (re)ajuste puede realizarse, por ejemplo, mediante una variación del inicio de la inyección en una bomba de inyección del motor de combustión interna 1, no representada en detalle. El ajuste puede realizarse en especial mediante al menos una familia de curvas características de fase e inicio de la inyección dependiente de la carga y/o del número de revoluciones. De esta forma se ajusta el inicio de la combustión de forma individual para cada cilindro 2 a 5 en el punto óptimo. Para el procedimiento descrito anteriormente, esto es posible en especial sin necesidad de introducir componentes de hardware esenciales adicionales en el dispositivo de control 9 o en el motor de combustión interna 1. Tampoco es necesario ningún registro adicional de parámetros especiales de funcionamiento del motor de combustión interna 1. Resulta una realización muy económica para la detección del inicio de la combustión y para el reajuste del punto de inicio de la combustión para cada cilindro individual.

A continuación se describe un segundo ejemplo de realización tomando como referencia la figura 2. Las partes idénticas reciben los mismos símbolos de referencia que en el primer ejemplo de realización, a cuya descripción se remite. La diferencia esencial consiste en el intercambio de la unidad de segmentación 14 por una unidad de ajuste 17, que en el segundo ejemplo de realización se encuentra inmediatamente a continuación de la unidad de número de revoluciones 10.

El funcionamiento de la unidad de ajuste 17 consiste esencialmente en ajustar el estado de funcionamiento de, por ejemplo, el cilindro 2, para el cual se quiere determinar actualmente el inicio de la combustión, de forma que la parte de la señal provocada por el cilindro 2 en la señal del número de revoluciones o la señal de segmento SS resultante se destaque considerablemente de la de los otros tres cilindros 3 a 5. Entonces, la señal de segmento SS está determinada prácticamente sólo por el cilindro 2 que interesa en ese momento. El ajuste del estado de funcionamiento se realiza, por ejemplo, mediante un aumento preciso de la cantidad de combustible suministrada. Pero básicamente, también son posibles otras opciones de ajuste.

Debido a la predominancia de la parte de la señal provocada por el cilindro 2 ajustado, en la señal de segmento SS ya no es necesaria una segmentación adicional en la unidad de segmentación 14 según el primer ejemplo de realización. La señal de segmento SS* mejorada se utiliza en su totalidad como señal de cilindro ZS1. Los pasos de procedimiento siguientes son análogos a los del primer ejemplo de realización, sin embargo con la condición de que la unidad de análisis 15 sólo genere una señal de inicio de combustión BS1 para el cilindro 2 relevante. En este ciclo de procedimiento se reajusta por tanto únicamente el cilindro 2. Para los cilindros 3 a 5 restantes, esto ocurre de forma secuencial. La unidad de ajuste 17 ajusta de forma significativa y sucesiva el estado de funcionamiento en cada uno de los cilindros 3 a 5 restantes, ocurriendo la intervención de la unidad de ajuste 17 ventajosamente no antes de que el motor de combustión interna 1 alcance su estado de funcionamiento casi estacionario. Esto puede determinarse fácilmente mediante la señal del número de revoluciones determinada en la unidad de número de revoluciones 10 o también de la señal de segmento SS.

Claims (10)

1. Procedimiento para la detección del inicio de la combustión de un motor de combustión interna (1) con varios cilindros (2, 3, 4, 5) mediante una señal del número de revoluciones determinada para un árbol (6) del motor de combustión interna (1), en el cual

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a partir de la señal del número de revoluciones se extrae al menos una señal de segmento (SS) con una longitud de señal correspondiente a un número entero de giros completos del árbol (6), de forma que en el intervalo de ángulo de giro representado por la longitud de señal, cada cilindro (2, 3, 4, 5) se encienda una vez,

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la señal de segmento (SS) se divide en señales de cilindro (ZS1, ZS2, ZS3, ZS4) según el número de cilindros (2, 3, 4, 5) respectivo, conteniendo cada señal de cilindro (ZS1, ZS2, ZS3, ZS4) información sobre la ignición de un único cilindro (2, 3,4, 5),

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la señal de cilindro (ZS1, ZS2, ZS3, ZS4) se transforma mediante una transformación de frecuencia en una señal de frecuencia de cilindro correspondiente (FS1, FS2, FS3, FS4) en un intervalo de frecuencia angular, contándose entonces para cada señal de frecuencia de cilindro (FS1, FS2, FS3, FS4) con valores de amplitud y de fase para frecuencias angulares discretas correspondientes,

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de la señal de frecuencia de cilindro (FS1, FS2, FS3, FS4) para al menos una frecuencia angular dada se extrae la información de señal que incluye el inicio de la combustión en el cilindro (2, 3,4, 5) correspondiente mediante los valores de amplitud y de fase correspondientes a la frecuencia angular dada, extrayéndose el inicio de la combustión de la información de señal mediante comparación de los valores de amplitud y de fase de la frecuencia angular dada con valores empíricos y/o de referencia correspondientes, utilizándose la información de fase de la frecuencia angular, cuyo valor de amplitud sea superior a un umbral, para la detección del inicio de la combustión.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la señal de cilindro (ZS1, ZS2, ZS3, ZS4) se genera mediante extracción de una señal parcial de la señal de segmento (SS), comprendiendo la señal parcial el intervalo de ángulo de giro dentro del cual el cilindro (2, 3,4, 5) considerado se enciende.

3. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque se ajusta el estado de funcionamiento en el cilindro (2), para el cual debe detectarse el inicio de la combustión, y la señal de segmento (SS) resultante tras el ajuste se utiliza en su totalidad como señal de cilindro (ZS1) determinante para este cilindro (2).

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la señal de frecuencia de cilindro (FS1, FS2, FS3, FS4) se genera mediante una transformación de frecuencia, especialmente mediante una transformada discreta de Hartley o una transformada discreta de Fourier, o mediante filtrado digital.

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se determina el valor medio aritmético de al menos dos señales de segmento (SS) consecutivas.

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque para generar la señal del número de revoluciones se utiliza una rueda transmisora (7) y las irregularidades resultantes de los defectos de la rueda transmisora pueden eliminarse casi completamente en la señal de segmento (SS).

7. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque mediante un tratamiento digital de señales se genera una señal de segmento (SS*) mejorada, especialmente con una mayor tasa de muestreo.

8. Procedimiento según la reivindicación 7, caracterizado porque la señal de segmento (SS) se somete a un procedimiento de interpolación, especialmente a una interpolación de Lagrange o sinc.

9. Procedimiento según la reivindicación 7, caracterizado porque la señal de segmento (SS) se somete a una transformación de frecuencia, especialmente a una transformada discreta de Hartley o transformada discreta de Fourier.

10. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la información de señal que incluye el inicio de la combustión se utiliza para ajustar el inicio de la combustión.