Derartige Brennkraftmaschinen mit kontrollierter Selbstzün- dung, die üblicherweise mit der Abkürzung HCCI (= Homogeneous Charge Compression Ignition) bezeichnet wird, sind bekannt, verwiesen sei beispielsweise auf die US 6 260 520, US 6 390 054, DE 199 27 479, und WO 98/10179. Manchmal wird die HCCI- Verbrennung auch als CAI (Controlled Auto Ignation) oder als ATAC (Active Thermo-Atmosphere Combustion) oder TS (Toyota Soken) bezeichnet, wobei gelegentlich der Begriff CAI für mit Benzin betriebene Brennkraftmaschinen und der Begriff HCCI für mit Dieselkraftstoff betriebene Brennkraftmaschinen ver- wendet wird. Für die Zwecke der vorliegenden Anmeldung soll der Begriff HCCI jedoch alle diese Verbrennungsarten umfas- sen, unabhängig davon, ob es sich um Otto-oder Dieselmotoren handelt.

Die HCCI-Verbrennung hat gegenüber der herkömmlichen fremdge- zündeten Verbrennung den Vorteil eines reduzierten Kraft- stoffverbrauchs und geringerer Schadstoffemissionen. Aller- dings ist die Steuerung der Selbstzündung des Gemischs nicht einfach.-So bedarf es einer entsprechenden Steuerung von den Verbrennungsvorgang beeinflussenden Parametern wie beispiels- weise einer Steuerung der Einlass-und Auslassventile, der- internen oder externen-Abgasrückführung, der Kraftstoffein- spritzung und/oder des Verdichtungsverhältnisses der Brenn- kraftmaschine. Derartige Parameter (Stellgrößen) werden übli- cherweise dazu verwendet, ein homogenes und/oder nicht homo-

genes Gemisch im Brennraum zu erzeugen, um damit die Selbst- zündung des Gemisches zu steuern.

Um einen optimalen Verbrennungsvorgang mit bestmöglicher Nut- zung der zur Verfügung stehenden Kraftstoffenergie zu erzie- len, ist allgemein anerkannt, dass die Verbrennungsdruckspit- ze ungefähr 15 bis 20° Kurbelwellenwinkel nach dem oberen Totpunkt auftreten soll. Um dieses Hauptziel zu erreichen, muss die Zündverzögerung und die Brenngeschwindigkeit berück- sichtigt werden, um die den Verbrennungsvorgang beeinflussen- den Parameter korrekt einzustellen.

Bei einer herkömmlichen fremdgezündeten Brennkraftmaschine (Ottomotor) wird dies durch eine entsprechende Einstellung des Zündwinkels (ungefähr 20 bis 25° Kurbelwellenwinkel vor dem oberen Totpunkt) erreicht, was zu einer optimalen Lage der Verbrennungsdruckspitze führt. Bei einer HCCI- Brennkraftmaschine kann dies jedoch lediglich durch eine Steuerung der oben erwähnten, den Verbrennungsvorgang beein- flussenden Parameter erreicht werden. Dies erfolgt heutzutage weitgehend durch eine einfache Steuerung dieser Parameter an- hand von in Kennfeldern abgelegten Werten ohne Feedback der Brennkraftmaschine.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern des Verbrennungs- vorgangs einer HCCI-Brennkraftmaschine anzugeben, die eine Optimierung von den Verbrennungsvorgang beeinflussenden Para- metern unter Berücksichtigung des in der Brennkraftmaschine tatsächlich ablaufenden Verbrennungsvorganges erlauben.

Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen 1 und 6 definierte Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass im HCCI-Betrieb Verbrennungsdruckspitzen auftreten, die denen

bei einer klopfenden Verbrennung einer herkömmlichen fremdge- zündeten Brennkraftmaschine ähnlich sind. Da die Selbstzün- dung des Gemischs beim HCCI-Betrieb zu einer spontanen Explo- sion des Gemischs im Brennraum führt, ist der Druckanstieg schneller und stärker als bei einer herkömmlichen fremdgezün- deten Brennkraftmaschine, was schärfere und dünnere Druck- spitzen zur Folge hat.

Diese Druckspitzen werden erfindungsgemäß durch einen Klopf- sensor erfasst, wie er bei modernen Brennkraftmaschinen zur Kopfregelung meistens ohnehin vorhanden ist. Hierbei kommen Klopfsensoren beliebiger Bauart wie beispielsweise Schwin- gungs-und Beschleunigungssensoren in Form von Piezo-, Zylin- derdruck-, Ionenstrom-Sensoren u. a. in Frage. Derartige Klopfsensoren sind in großer Vielfalt bekannt.

Die im Signal des Klopfsensors enthaltenen Informationen er- lauben es, den Winkel der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine zu bestimmen, bei dem eine Verbrennungsdruckspitze aufgetre- ten ist. Diese Feedback-Information erlaubt es dann, die den Verbrennungsvorgang beeinflussenden Parameter der Brennkraft- maschine zu optimieren. Zur Bestimmung des"Selbstzündungs- winkels"ausgedrückt in Grad Kurbelwellenwinkel der Brenn- kraftmaschine mit Hilfe des Signals des Klopfsensors können Signalverarbeitungsverfahren verwendet werden, wie sie in Zu- sammenhang mit der Klopfregelung herkömmlicher fremdgezünde- ter Brennkraftmaschinen bekannt sind, verwiesen sei bei- spielsweise auf die EP 0 187 081, EP 0 458 993 und US 4 884 206.

Zweckmäßigerweise wird die mittels des Signals des Klopfen- sors detektierte aktuelle Winkelposition mit einer in einem Kennfeld abgelegten Soll-Winkelposition verglichen. Bei einer Abweichung der aktuellen Winkelposition von der Soll- Winkelposition werden dann die den Verbrennungsvorgang steu- ernden Parameter so geändert, dass die aktuelle Winkelpositi- on zu der Soll-Winkelposition hin verschoben wird.

Hierbei wird zweckmäßigerweise so vorgegangen, dass die den Verbrennungsvorgang beeinflussenden Parameter mittels im e- lektronischen Betriebssteuergerät abgelegten Kennfeldern vor- eingestellt und in Abhängigkeit von dem Signal des Klopfsen- sors korrigiert werden. Die Korrektur kann mittels einer ein- <BR> <BR> fachen Korrekturfunktion (Addition, Multiplikation, etc. ) er- folgen. Vorzugsweise erfolgt die Korrektur jedoch in einem geschlossenen Regelkreis, beispielsweise in Form einer PID- Regelung. Es kann natürlich auch eine komplexe Lern-und A- daptionsfunktion verwendet werden.

Die vorliegende Erfindung erlaubt es, den HCCI-Verbrennungs- vorgang unabhängig von alterungsbedingten Änderungen der Brennkraftmaschine und/oder herstellungsbedingten Fertigungs- unterschieden zwischen verschiedenen Brennkraftmaschinen ständig zu optimieren, um Kraftstoffverbrauch und Schadstoff- emissionen zu minimieren. Außerdem erlaubt die Erfindung eine Vereinfachung der Kalibrierung der Brennkraftmaschine, da das erfindungsgemäße Verfahren eine Art Selbstkalibrierung wäh- rend des Betriebs bewirkt.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass zu ihrer Implementierung lediglich bereits ohnehin vorhandene Hardware wie ein elektronisches Betriebssteuergerät und ein Klopfsensor erforderlich sind, wobei überdies auf aus der Klopfregelung'bekannte Signalverarbeitungsverfahren zurückge- griffen werden kann.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand der Zeichnungen erläutert, in denen Figur 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftma- schine mit einem elektronischen Betriebssteuergerät ist ; Figur 2 ein Diagramm ist, in dem der Druck für verschiedene

Verbrennungsarten über dem Winkel der Kurbelwelle aufgetragen ist ; Figur 3 ein Flussdiagramm zum Veranschaulichen des erfin- dungsgemäßen Verfahrens ist.

Figur 1 zeigt in schematischer Weise eine Brennkraftmaschine 1 mit einer Kurbelwelle 2, einem Zylinder 3, einem Brennraum 4, einem Ansaugtrakt 5, einem Abgastrakt 6, einem Einlassven- til 7, einem Auslassventil 8, einem Kraftstoffeinspritzventil 9, einer Zündeinrichtung 10 und einer Abgasrückführung 11 mit einem Abgasrückführventil 12. Der Brennkraftmaschine 1 ist ein elektronisches Betriebssteuergerät 13 zugeordnet, das zur Steuerung des Betriebs der Brennkraftmaschine Stellsignale- unter anderem-an Aktoren der Ventile 7 bis 9 und 12 sowie der Zündeinrichtung 10 abgibt.

Die Brennkraftmaschine 1 ist als HCCI-Brennkraftmaschine aus- gebildet, die zumindest während bestimmter Betriebsphasen mit kontrollierter Selbstzündung des Luft/Kraftstoffgemischs (al- so ohne Fremdzündung durch die Zündeinrichtung 10) betrieben werden kann. Wie bereits eingangs erläutert, läuft im HCCI- Betrieb der Verbrennungsvorgang so ab, dass als Folge der Selbstzündung des Gemischs ausgeprägte, d. h. scharfe und dün- ne, Verbrennungsdruckspitzen im Brennraum 4 auftreten.

Zur Erläuterung sei auf Figur 2 verwiesen, in der der Verbrennungsdruck P über dem Kurbelwellenwinkel °CRK aufge- tragen ist. Die Kurve a zeigt den Verlauf des Verbrennungs- drucks bei normalem Betrieb mit Fremdzündung, die Kurve b bei klopfender Verbrennung und die Kurve c bei HCCI-Betrieb der Brennkraftmaschine. Die Druckspitzen haben jeweils einen vor- gegebenen Winkelabstand zum oberen Totpunkt TDC des zugehöri- gen Kolbens. Wie eingangs erläutert, können Verbrennungs- druckspitzen gemäß der Kurve c mittels eines herkömmlichen Klopfsensors detektiert werden, wie er bei modernen Brenn- kraftmaschinen zur Klopfregelung verwendet wird.

In Figur 1 ist dem Zylinder 3 bzw. dem Brennraum 4 ein ent- sprechender Klopfsensor 14 zugeordnet, dessen Signale dem Be- triebssteuergerät 13 zugeführt werden. Das Betriebssteuerge- rät 13 enthält eine Signalverarbeitungseinrichtung, wie sie bei Klopfregelungen für herkömmliche fremdgezündete Brenn- kraftmaschinen verwendet wird. Diese Signalverarbeitungsein- richtung ermöglicht eine Bestimmung des aktuellen Winkels der Kurbelwelle 2, bei dem die Verbrennungsdruckspitzen (Kurve c) auftreten. Der betreffende aktuelle Kurbelwellenwinkel wird dann mit dem für eine optimale Verbrennung erforderlichen Soll-Kurbelwellenwinkel verglichen und bei Abweichungen so korrigiert, dass der aktuelle Zündzeitpunkt zu dem optimalen Zündzeitpunkt hin verschoben wird. Dies erfolgt durch eine Korrektur von den Verbrennungsvorgang beeinflussenden Parame- tern, vorzugsweise in einem geschlossenen Regelkreis.

Zur Erläuterung eines derartigen Regelkreises sei auf Fig. 3 Bezug genommen. Der mit"Ist"bezeichnete Block 15 enthält den aktuellen Kurbelwellenwinkel, bei dem die Verbrennungs- druckspitze (Kurve c) aufgetreten ist. Der aktuelle Kurbel- wellenwinkel wurde, wie bereits erwähnt, von dem Betriebs- steuergerät 13 aus dem Signal des Klopfsensors 14 gewonnen.

Der mit"Soll"bezeichnete Block 16 stellt ein im Betriebs- steuergerät 13 abgelegtes Kennfeld dar, in dem der optimale Kurbelwellenwinkel, bei dem die Verbrennungsdruckspitze auf- treten soll, d. h. der optimale Zeitpunkt der Selbstzündung, in Abhängigkeit von beispielsweise der Drehzahl und Last der Brennkraftmaschine aufgetragen ist. Der aktuelle Winkel und der Sollwinkel werden dann in einer Stufe 18 miteinander ver- glichen. In Abhängigkeit von einer etwaigen Differenz zwi- schen diesen beiden Winkeln erzeugt ein PID-Regler (Block 17) ein Stellsignal (Stufe 19), mit dem ein oder mehrere den Verbrennungsvorgang beeinflussende Parameter so geändert wer- den, dass die Differenz in der Stufe 18 verschwindet, d. h., dass der aktuelle Zündzeitpunkt zu dem Soll-Zündzeitpunkt hin verschoben wird.

Bei dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt die Korrektur des Zeitpunkts der Selbstzündung mittels eines PID- Reglers. Wie bereits eingangs erwähnt, kann jedoch auch eine andere Korrekturfunktion einschließlich einer Lern-und Adap- tionsfunktion verwendet werden.

Als den Verbrennungsvorgang beeinflussende Parameter kommen eine Zeitsteuerung (VVT = Variable Valve Time) und/oder eine Ventilhubverstellung (VVL = Variable Valve Lift) des Einlass- und Auslassventils 8 und/oder des Abgasrückführventils 12 und/oder eine Steuerung des Einspritzventils 9 (Einfach-oder Mehrfacheinspritzung) und/oder eine Änderung des Verdich- tungsverhältnisses der Brennkraftmaschine u. a. in Frage. Da die Steuerung des Verbrennungsvorganges durch derartige Para- meter grundsätzlich bekannt ist, sind hierzu keine weitere Erläuterungen erforderlich.