DE4404958A1 - Vorrichtung zur Erfassung des Innendrucks eines Zylinders bei Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Er­ fassung des Innendrucks eines Zylinders bei Brennkraft­ maschinen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus der DE 40 20 681 A1 bekannt. Diese bekannte Vorrichtung enthält eine Mehrzahl von Drucksensoren zur Erfassung des Druckes in den jeweiligen Zylindern. Weiterhin ist eine Meßeinrichtung vorgesehen, die die Ausgangssignale der Drucksensoren in Spannungswerte umwandelt. Die Spannungswerte werden analog/digital-gewandelt und ei­ nem Speicher zur weiteren Auswertung zugeführt.

Auf welche Weise die Meßeinrichtung die Ausgangssignale der Drucksensoren in Spannungswerte umwandelt oder die Ausgangssignale der Drucksensoren möglichst fehlerkor­ rigierend weiterverarbeitet, ist nicht Gegenstand die­ ser bekannten Vorrichtung.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die eingangs genannte Vorrichtung derart zu verbessern, daß das dem erfaßten Druck proportionale spannungsgewandelte Ausgangssignal des Drucksensors unabhängig von Stör-Offsets ist, die beispielsweise durch Temperaturbeeinflussung oder Sen­ sorermüdung entstehen können. Das dem erfaßten Druck proportionale Spannungssignal soll eine Absolutmessung des Druckes ermöglichen und dabei einen immer gleichbleibenden Nullpegel aufweisen, wenn der Druck dem Umgebungsdruck entspricht (ca. 1 bar).

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß ist der Ausgang des Drucksensors mit einem ersten Anschluß eines elektrischen Ladungsspei­ chers, z. B. eines Kondensators, verbunden, dessen zwei­ ter Anschluß während einer Ruhezeit an einen vorgegebe­ nen Spannungspegel schaltbar ist und für eine defi­ nierte Meßzeit von diesem abschaltbar ist. Dadurch liegt während der Meßzeit an dem zweiten Anschluß des elektrischen Ladungsspeichers ein zweites Spannungssig­ nal an, daß sich lediglich entsprechend der während der Meßzeit auftretenden Änderung des ersten Spannungssig­ nals, das das direkte spannungsgewandelte Ausgangssig­ nal des Drucksensors ist, ändert.

Vorzugsweise ist die definierte Meßzeit möglichst kurz zu wählen, so daß zwischen dem Abschalten des vorgege­ benen Spannungspegels und dem Wiederzuschalten eine möglichst geringe Entladung des elektrischen Ladungsspeichers auftritt. Die definierte Meßzeit rich­ tet sich insbesondere nach der Zeit, in der jeweils der Innendruck eines Zylinders durch Kompression verändert wird. Die definierte Meßzeit ist mindestens so lang, daß wenigstens der Maximalkompressionsdruck eines Zy­ linders erfaßbar ist.

Gegenstand der Unteransprüche sind vorteilhafte Weiter­ bildungen der Erfindung.

So ist nach Anspruch 2 der zweite Anschluß des elektri­ schen Ladungsspeichers über einen elektrischen Wider­ stand mit Massepotential verbunden, um von einer Meß­ zeit zur nächsten eine Entladung des Kondensators zu ermöglichen.

Nach Anspruch 3 sind der elektrische Ladungsspeicher und der Widerstand derart dimensioniert, daß sich eine Zeitkonstante RC ergibt, die viel größer als die Meß­ zeit ist. Dadurch wird gewährleistet, daß eine Entla­ dung des Kondensators, während der Meßzeit nahezu Null ist.

Nach Anspruch 4 wird die Meßzeit mindestens so lange gewählt wird, daß der Druckverlauf um den oberen Tot­ punkt eines Zylinders während der Kompression erfaßt wird. Vorzugsweise ist die Meßzeit höchstens so lange, bis das Meßfenster des nächsten Zylinders beginnt. Dies ermöglicht die Erfassung jeder Druckänderung und be­ wirkt während der Kompression der anderen Zylinder durch die Ruhezeit, in der nicht gemessen wird, einen definierten konstanten Pegel als Nullpegel des Druck­ sensors bezüglich des zweiten Spannungssignals.

Nach Anspruch 5 wird die Meßzeit in Abhängigkeit vom Kurbelwellenwinkel der Brennkraftmaschine bestimmt, um die Messung des Druckverlaufs, insbesondere während der Kompressionszeit, von der Drehzahl unabhängig zu ma­ chen.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung dargestellt. Sie zeigt eine erfindungsgemäße Vor­ richtung in Form einer elektrischen Schaltung.

Ein Drucksensor 1 in Form eines Piezoaufnehmers, ist mit einem ersten Anschluß eines Kondensators C verbun­ den. Der zweite Anschluß des Kondensators C führt zu einem Knotenpunkt, mit dem ein Schalter S, ein Wider­ stand R und der nichtinvertierte Eingang eines Verstär­ kers 2 verbunden sind. Auf der dem Knotenpunkt gegen­ überliegenden Seite des Schalters S ist eine Spannungs­ versorgung mit einem vorgegebenen Spannungspegel U₀ an­ geschlossen. Die dem Knotenpunkt gegenüberliegende Seite des Widerstands R ist mit Massepotential verbun­ den.

Der Drucksensor 1 besteht aus einem Piezoelement 3, das mit dem Gate des Feldeffekttransistors 4 verbunden ist. Der Source-Anschluß des Feldeffekttransistors 4 liegt auf Massepotential und der Drain-Anschluß des Feldef­ fekttransistors 4 führt zu einem Knotenpunkt, an dem weiterhin eine Stromquelle mit dem Strom I angeschlos­ sen ist.

Am Ausgang des Drucksensors 1 entsteht eine Sensorspan­ nung U_S als erstes Spannungssignal, das über die Strom­ quelle und den Feldeffekttransistor 4 aus den entspre­ chend dem ausgeübten Druck freigewordenen Ladungsträ­ gern des Piezoelementes 3 gebildet wird. Diese Sensor­ spannung U_S kann, z. B. in Abhängigkeit von der Ermüdung des Piezoelementes 3 oder in Abhängigkeit von Tempera­ turänderungen, auch ohne Druckausübung auf das Piezo­ element 3 langfristig gegenüber der Meßzeit unter­ schiedliche Werte annehmen. Daher wird eine Auswertung und Weiterverarbeitung der Sensorspannung U_S ungenau, da auf dem jeweils gemessenen Spannungswert der Sensor­ spannung U_S ein Stör-Offset beaufschlagt sein kann, dessen Größe nicht bekannt ist.

Erfindungsgemäß wird anstelle des ersten Spannungssig­ nals U_S das zweite Spannungssignal U_e als maßgebliches dem Druck proportionales Spannungssignal weiterausge­ wertet. Die Ausgangsspannung U_a ist lediglich das ver­ stärkte zweite Spannungssignal U_e, das das Eingangssig­ nal des Verstärkers 2 ist.

Während einer Ruhezeit, innerhalb derer eine Messung nicht notwendig ist, da beispielsweise im entsprechen­ den Zylinder keine Kompression stattfindet, wird der Schalter S geschlossen, d. h. in der Stellung 0 gehal­ ten. Dadurch liegt als zweites Spannungssignal U_e der konstante vorgegebene Spannungspegel U₀ an, unabhängig davon wie groß die Sensorspannung U_S ist. Dieser Spannungspegel U₀ wird auch als Nullpegel definiert, d. h. als Spannungssignal, das einem erfaßten Druckwert von Null zugeordnet wird. Während einer definierten Meßzeit, d. h. der Zeit, in der das Spannungssignal U_e zur Messung des durch den Sensor 1 erfaßten Druckes ausgewertet werden soll, wird der Schalter S in die Stellung 1 gebracht, d. h. geöffnet.

Bei der Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erfassung des Innendrucks eines Zylinders ist die defi­ nierte Meßzeit vorzugsweise so lang, daß der Druck zu­ mindest während des gesamten Kompressionsvorgangs in dem entsprechenden Zylinder erfaßt werden kann. Diese Meßzeit ist kurz genug, um ohne großen Bauteileaufwand den Kondensator C und den Widerstand R derart zu dimen­ sionieren, daß die Zeitkonstante RC um ein Vielfaches größer als die Meßzeit ist. Die Zeitkonstante RC soll vorzugsweise so groß sein, daß während der Meßzeit die Entladung des Kondensators C vernachlässigbar klein ist. Somit bleibt während der Meßzeit die Kondensator­ spannung U_C, die am Kondensator C abfällt, konstant. Der Wert der Spannung U_C ergibt sich bei geschlossenem Schalter S: S=0 aus dem Spannungspegel U₀ und der mo­ mentanen Sensorspannung U_S: U_C=U₀-U_S. Die Meßzeit, wäh­ rend der der Schalter S geöffnet ist und eine Auswer­ tung der Spannung U_e vorgenommen wird, ist so klein, daß sich während dieser Meßzeit die Sensorspannung U_S nicht aufgrund der genannten Störungen ändert. Wird also der Schalter S während der Meßzeit geöffnet, ist die Änderung der Spannung U_e ein fehlerkorrigiertes Maß zur Erfassung des tatsächlich während des Meßfensters auftretenden Druckes. D.h. der jeweils vorliegende Druck ist die Differenz der Gesamtspannung U_e und des Spannungspegels U₀.

Mit dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine von langfristigen Störungen freie Absolutmessung des Innen­ drucks eines Zylinders insbesondere während der Kom­ pression möglich. Um die Meßzeit bzw. das Meßfenster während der Kompression drehzahlunabhängig zu bestim­ men, wird der Beginn und das Ende der Kompression bzw. der Beginn und das Ende der Meßzeit über den Kurbelwel­ lenwinkel der Brennkraftmaschine vorzugsweise bestimmt.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Erfassung des Innendrucks eines Zylin­ ders bei Brennkraftmaschinen mit einem Drucksensor zur Abgabe eines dem erfaßten Druck proportionalen Spannungssignals, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksensor (1) mit einem ersten Anschluß eines elek­ trischen Ladungsspeichers (C) verbunden ist, dessen zweiter Anschluß mit einem vorgegebenen Spannungspegel (U₀) versorgt und für eine definierte Meßzeit von die­ sem (U₀) abschaltbar ist.

2. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der zweite Anschluß des elektrischen La­ dungsspeichers (C) über einen elektrischen Widerstand (R) mit Massepotential verbunden ist.

3. Vorrichtung nach Patentanspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der elektrische Ladungsspeicher (C) und der Widerstand (R) derart dimensioniert sind, daß sich eine Zeitkonstante (R*C) ergibt, die viel größer als die Meßzeit ist.

4. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßzeit mindestens so lange gewählt wird, daß der Druckverlauf um den oberen Totpunkt eines Zylinders während der Kompression er­ faßt wird.

5. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßzeit in Ab­ hängigkeit vom Kurbelwellenwinkel der Brennkraft­ maschine bestimmt wird.