KLUTH, Carsten (Kyffhaeuserstr. 9, Stuttgart, 70469, DE)
HAEMING, Werner (Nachtigallenweg 15, Neudenau, 74861, DE)
LUO, Li (Charlottenstr. 14, Ludwigsburg, 71634, DE)
WUERTH, Juergen (Silcherstr 5, Freiberg, 71691, DE)
KLUTH, Carsten (Kyffhaeuserstr. 9, Stuttgart, 70469, DE)
HAEMING, Werner (Nachtigallenweg 15, Neudenau, 74861, DE)
LUO, Li (Charlottenstr. 14, Ludwigsburg, 71634, DE)
| Ansprüche 1 . Verfahren zur Behandlung von unkontrollierten Verbrennungen in einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges, wobei die unkontrollierten Verbrennungen unabhängig von der Zündung durch eine Zündkerze auftreten und in/oder am Verbrennungsmotor (1 ) erfasst werden, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Überwachungszeitraum die Anzahl der erfassten unkontrollierten Verbrennungen bestimmt wird und mit einem Schwellwert (SW) verglichen wird, wobei bei Überschreitung des Schwellwertes (SW) eine Temperatur in einem Brennraum (22) des Verbrennungsmotors (1 ) abgesenkt wird. 2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellwert (SW) variabel einstellbar ist. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die gezählten unkontrollierten Verbrennungen zeitbegrenzt abgespeichert werden, wobei die gespeicherten unkontrollierten Verbrennungen bei der Bestimmung der Anzahl der unkontrollierten Verbrennungen berücksichtigt werden. 4. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Überwachungszeitraum innerhalb eines Fahrzyklusses des Kraftfahrzeuges liegt. 5. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Überwachungszeitraum mindestens einen Fahrzyklus des Kraftfahrzeuges überspannt. 6. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur in dem Brennraum (22) des Verbrennungsmotors (1 ) durch eine Kraftstoffanreicherung im Verbrennungsmotor (1 ) abgesenkt wird. 7. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur in dem Brennraum (22) des Verbrennungsmotors (1 ) durch eine Luftanreicherung im Verbrennungsmotor (1 ) abgesenkt wird. 8. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur in dem Brennraum (22) des Verbrennungsmotors (1 ) durch eine Absenkung der Füllung des Verbrennungsmo- tors (1 ) durch eine Reduzierung der Luftzufuhr vermindert wird. 9. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur in dem Brennraum (22) des Verbrennungsmotors (1 ) durch die Reduzierung eines inneren Restgases in dem Verbrennungsmotor (1 ) durch Überschneidungsreduzierung der Ansteuerzeiten eines Einlass- (15) und/oder eines Auslassventils (16) des Verbrennungsmotors (1 ) vermindert wird. 10. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung der unkontrollierten Verbrennungen anhand der Körperschallschwingungen des Verbrennungsmotors (1 ) erfolgt. 1 1 . Verfahren nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung der unkontrollierten Verbrennungen ein Messfenster in Abhängigkeit von der Lage der Körperschallschwingungen im Vergleich zu einem ersten Kurbel- wellenwinkelbereich aktiviert wird, welcher insbesondere verschieden zu einem zweiten Kurbelwellenwinkelbereich ist, in welchem Klopfereignisse einer kontrollierten Verbrennung erwartet werden. 12. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine weitere Schwelle vorgesehen ist, bei deren Überschreitung Maßnahmen eingeleitet werden. 13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine weitere Schwelle unterhalb des Schwellwerts liegt. 14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreitung der wenigstens einen weiteren Schwelle unterhalb des Schwellwerts die Temperatur in dem Brennraum (22) des Verbrennungsmotors (1 ) weniger stark abgesenkt wird als bei der Überschreitung des Schwellwertes. 15. Vorrichtung zur Behandlung von unkontrollierten Verbrennungen in einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges, wobei die unkontrollierten Verbrennungen unabhängig von der Zündung durch eine Zündkerze auftreten und in/oder am Verbrennungsmotor (1 ) erfasst werden, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (14, 15, 16, 17,18, 20) vorhanden sind, welche in einem Überwachungszeitraum die Anzahl der erfassten unkontrollierten Verbrennungen bestimmen und mit einem Schwellwert (SW) vergleichen, wobei bei Überschreitung des Schwellwertes (SW) eine Temperatur in einem Brennraum (22) des Verbrennungsmotors (1 ) abgesenkt wird. 16. Vorrichtung nach Anspruch 15 dadurch gekennzeichnet, dass ein Klopfsensor (17) mit einem Steuergerät (18) verbunden ist, welches einen Zähler (20) zur Summierung der von dem Klopfsensor (17) abgegebenen Signale aufweist, wobei in einem Speicher (21 ) des Steuergerätes (18) ein Schwellwert (SW) abgespeichert ist und bei Überschreitung des Schwellwertes (SW) durch die vom Zähler (20) detektierte Summe, das Steuergerät (18) einen Aktuator (12, 14, 15, 16) zur Änderung der Temperatur im Verbrennungsmotor (1 ) ansteuert. 17. Vorrichtung nach Anspruch 16 dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zylinder (2, 3, 4, 5) des Verbrennungsmotors (1 ) als Aktuatoren ein Einlassventil (15) zum Einlass der Luft und ein Auslassventil (16) zur Ausgabe eines Verbrennungsabgases aufweist, deren Öffnungszeiten von jeweils einer Nockenwelle eingestellt wird, wobei das Steuergerät (18) die Nockenwellen so ansteuert, dass sich die Öffnungszeiten des Einlass- (15) und des Auslassventils (16) nicht oder nur gering überschneiden. |
Titel
Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung von unkontrollierten Verbrennungen in einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von unkontrollierten
Verbrennungen in einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges, wobei die unkontrollierten Verbrennungen unabhängig von der Zündung durch eine Zündkerze auftreten und in/oder am Verbrennungsmotor erfasst werden sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
In einem Benzinmotor führt eine Verbrennung des zugeführten Kraftstoff-Luft- Gemisches dazu, das Fahrzeug in den Fahrbetrieb zu versetzen bzw. den Fahrbetrieb aufrecht zu erhalten. Dabei wird die Verbrennung des Kraftstoff-Luft- Gemisches durch den Zündfunken einer Zündkerze eingeleitet. Der Zündfunken baut eine Flammenfront auf, welche sich im gesamten Brennraum ausbreitet und das vorhandene Luft-Kraftstoff-Gemisch während der Verbrennung in kinetische Energie umwandelt. Bei klopfenden Verbrennungen läuft ein Teil der Verbrennungen schlagartig ab und verursacht im Brennraum des Benzinmotors einen starken Druckanstieg, der eine Druckwelle erzeugt, die sich ausbreitet und auf die den Brennraum begrenzenden Wände trifft, wo die hochfrequenten Schwingungen in Körperschall umgewandelt werden. Diese Schwingungen werden durch Klopfsensoren (Körperschallsensoren) detektiert und bei der Ansteuerung des Benzinmotors durch eine Klopfregelung berücksichtigt, um Motorschäden zu verhindern. Der Benzinmotor wird dabei wirkungsgradoptimal immer an der Klopfgrenze betrieben. Mit Hilfe der Klopfregelung werden Beschädigungen des Benzinmotors durch die immer wiederkehrenden klopfenden Verbrennungen vermieden. Neben den beschriebenen klopfenden Verbrennungen treten aber auch Selbstentflammungen auf, die durch heiße Stellen im Brennraum, Öltröpfchen oder heiße Restgaszonen im Kraftstoff-Luft-Gemisch verursacht werden. Solche Selbstentflammungen können als Vorentflammungen vor dem Auftreten des Zündfunkens und als Nachentflammungen nach dem Auftreten des Zündfunkens vorkommen. Dabei entstehen neben der zündfunkeninduzierten Flammenfront eine oder mehrere weitere Flammenfronten. Diese Selbstentflammungen werden üblicherweise als Vorentflammungen bezeichnet und erhöhen die Gefahr von klopfenden Verbrennungen im Endgasbereich. Die dabei auftretenden Körper- schallschwingungen zeichnen sich durch extreme Druckamplituden aus, welche sehr schnell zu Motorschäden führen können.
Aus der DE 696 28 770 T2 ist bekannt, dass solche anormalen Selbstentflammungen dadurch erkannt werden, dass die Amplitude einer Selbstentflammung größer als ein vorgegebener Schwellwert ist, wobei die Selbstentflammung in zwei Schritten erkannt wird. Einmal nach Ablauf eines ersten vorbestimmten Zeitraumes nach der Zündung und in einem zweiten Schritt nach Ablauf einer zweiten vorbestimmten Zeitperiode, die länger ist als der erste vorbestimmte Zeitraum. Zur Minimierung der Selbstentflammungen erfolgt nach Feststellung der anormalen Selbstentflammung eine Erhöhung oder Verminderung des Betrages der Kraftstoffeinspritzung oder das Schließen einer Drosselklappe. Für die Bestimmung der Selbstentflammungen ist ein hoher Aufwand an Rechenzeit notwendig, was eine schnelle Reaktion auf die anormalen Selbstentflammungen verzögert.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, welche eine schnelle und trotzdem zuverlässige Verminderung von unkontrollierten Verbrennungen in einem Verbrennungsmotor ermöglichen, um den Verbrennungsmotor vor Schäden zu schützen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass in einem Überwachungszeitraum die Anzahl der erfassten unkontrollierten Verbrennungen be- stimmt und mit einem Schwellwert verglichen wird, wobei bei Überschreitung des
Schwellwertes eine Temperatur in einem Brennraum des Verbrennungsmotors abgesenkt wird. Das hat den Vorteil, dass die Verbrennungen der Vergangenheit des Verbrennungsmotors bei der Einleitung von Maßnahmen gegen die unkontrollierten Verbrennungen berücksichtigt werden und die sporadischen Verbrennungsereignisse ausgewertet werden. Je nachdem, ob die unkontrollierte Verbrennung einmalig, mehrmals in dem Überwachungszeitraum oder sogar in
Serie auftreten, wird durch geeignete Maßnahmen zur Verminderung der unkontrollierten Verbrennungen reagiert und somit dem tatsächlichen Motorverhalten Rechnung getragen. Die Zählung der Anzahl der unkontrollierten Verbrennungen erlaubt eine besonders einfache softwaremäßige oder auch hardwaremäßige Realisierung des Verfahrens. Durch die Maßnahme zur Verminderung der unkontrollierten Verbrennung wird die Temperatur im Brennraum des Verbrennungsmotors abgesenkt, wodurch die schlagartige und extrem motorschädigende Energieumsetzung im Brennraum reduziert oder ganz verhindert wird. Dadurch werden heiße Stellen im Brennraum oder Hotspots im Kraftstoff- Luft- Gemisch abgekühlt und somit das Auftreten von unkontrollierten Verbrennungen reduziert.
Vorteilhafterweise ist der Schwellwert variabel einstellbar. Somit kann die aktuelle Situation im Brennraum des Verbrennungsmotors jederzeit berücksichtigt wer- den, wobei die Maßnahmen zur Verminderung der unkontrollierten Verbrennungen auf Grund des veränderlichen Schwellwertes zu unterschiedlichsten Zeitpunkten eingeleitet werden können, was ein schnelles Reagieren auf auftretende unkontrollierte Verbrennungen erlaubt. In einer weiteren Variante werden die gezählten unkontrollierten Verbrennungen zeitbegrenzt abgespeichert, wobei die gespeicherten unkontrollierten Verbrennungen bei der Bestimmung der Anzahl der unkontrollierten Verbrennungen berücksichtigt werden. Durch die Verwendung eines Zählers, der die erkannten unkontrollierten Verbrennungen zählt, ist eine einfache Realisierung möglich. Dabei wird der Zähler für die erkannten unkontrollierten Verbrennungen mit einem einstellbaren, zeitbegrenzten Gedächtnis ausgeführt. Hierbei werden erkannte unkontrollierte Verbrennungen, die schon längere Zeit zurückliegen, aus dem Zähler wieder entfernt. Einfach zu realisieren ist dies mit einem Zähler, der bei erkannten unkontrollierten Verbrennungen inkrementiert und nach einer vorgege- benen Zeit wieder dekrementiert. Hierdurch kann die Einleitung von Gegenmaßnahmen gegen die unkontrolliert auftretenden Verbrennungen sehr flexibel erfol- gen. Wird eine lange Zeit für die Dekrementierung gewählt, dann werden auch unkontrollierte Verbrennungen berücksichtigt, die schon längere Zeit zurückliegen. Ist die Zeit für die Dekrementierung kurz eingestellt, dann werden die länger zurückliegenden unkontrollierten Verbrennungen für die Einleitung von Maßnah- men nicht mehr berücksichtigt.
In einer Ausgestaltung liegt der Überwachungszeitraum innerhalb eines Fahr- zyklusses des Kraftfahrzeuges. Unter dem Fahrzyklus des Kraftfahrzeuges soll in diesem Zusammenhang die Zeit verstanden werden, welche zwischen der Ein- Schaltung der Zündung des Kraftfahrzeuges und dem Ausschalten des Verbrennungsmotors verstreicht. Bei einer Einstellung des Überwachungszeitraumes innerhalb des Fahrzyklusses werden Kurzzeitmaßnahmen zur Unterbindung der unkontrollierten Verbrennungen ausgelöst, da diese sich nur im aktuellen Fahrzyklus auswirken, was insbesondere beim Auftreten von einzelnen unkontrollier- ten Verbrennungen der Fall ist. Dadurch wird die Möglichkeit der Beschädigung des Verbrennungsmotors reduziert.
Alternativ überspannt der Überwachungszeitraum mindestens einen Fahrzyklus des Kraftfahrzeuges. Diese Anwendung ist immer dann von Vorteil, wenn der Verbrennungsmotor nach Ablauf von Kurzzeitmaßnahmen nach kurzer Zeit schon wieder unkontrollierte Verbrennungen produziert. Dadurch, dass bei dieser Langzeitmaßnahme die unkontrollierten Verbrennungen über einen längeren Zeitraum überwacht werden, die in mehreren Fahrzyklen des Kraftfahrzeuges aufgetreten sind, lässt sich eine besonders genaue Behandlung der unkontrollier- ten Verbrennungen einstellen und immer wiederkehrende, unkontrollierbare
Verbrennungen auch über einen längeren Zeitraum sicher vermeiden, was dazu führt, dass die Gefahr der Beschädigung des Verbrennungsmotors weiter herabgesetzt wird. In einer Weiterbildung wird die Temperatur in dem Brennraum des Verbrennungsmotors durch eine Kraftstoffanreicherung im Verbrennungsmotor abgesenkt. Durch die Anfettung des Kraftstoff-Luft-Gemisches, welches sich im Brennraum des Verbrennungsmotors befindet, ist die Brennfähigkeit durch die nahezu konstante Luftmasse begrenzt, zum anderen wird durch die auftretende Verdampfung der größeren Kraftstoffmenge das Kraftstoff-Luft-Gemisch stärker abgekühlt. In einer anderen Ausgestaltung wird die Temperatur in dem Brennraum des Verbrennungsmotors durch eine Luftanreicherung im Verbrennungsmotor abgesenkt. Hierbei wirkt die Luftmenge, die an der Verbrennung nicht teilnimmt als kühlend. Ebenfalls führt das magere Gemisch zu einer langsameren Durchbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches, so dass sich unkontrollierte Verbrennungen weniger stark auf den Verbrennungsmotor auswirken.
In einer weiteren Variante wird die Temperatur in dem Brennraum des Verbren- nungsmotors durch eine Absenkung der Füllung des Verbrennungsmotors durch eine Reduzierung der Luftzufuhr vermindert. Dies erfolgt durch Bewegung der Drosselklappe in Richtung des Schließzustandes, wodurch ein weiteres Eindringen von Luft in den Verbrennungsmotor unterbunden und somit die Verbrennung reduziert wird, was sich auch auf die unkontrollierten Verbrennungen infolge niedrigerer Temperaturen positiv auswirkt.
Vorteilhafterweise wird die Temperatur in dem Brennraum des Verbrennungsmotors durch die Reduzierung eines inneren Restgases in dem Verbrennungsmotor durch geringe Überschneidung der Ansteuerzeiten der Einlass- und/oder der Auslassventile des Verbrennungsmotors vermindert. Voraussetzung für diese Verstellungen sind verstellbare Nockenwellen. Hierbei muss zumindest eine Nockenwelle für die Einlass- oder die Auslassventile verstellbar sein. Es ist vorteilhaft, wenn beide Nockenwellen verstellbar sind und damit die Steuerzeiten für die Einlass- und Auslassventile verstellbar sind. Diese Vorgehensweise ermög- licht eine sehr vielfältige Reaktion auf unkontrollierte Verbrennungen, da sich die
Überschneidungen schnell softwaremäßig einstellen lassen. Da das Einlassventil schon geöffnet wird, während das Auslassventil noch nicht geschlossen ist, wird das Temperaturniveau im Brennraum des Verbrennungsmotors abgesenkt. Bei der Überschneidungsreduzierung der Ansteuerzeiten kann von den Maximalan- Schlägen des Einlass- oder Auslassventils ausgegangen werden oder nur bestimmte Öffnungszustände der Ventile berücksichtigt werden.
In einer Ausgestaltung erfolgt die Erfassung der unkontrollierten Verbrennungen anhand der Körperschallschwingungen des Verbrennungsmotors. Da die Körperschallschwingungen in einem Verbrennungsmotor zur Detektion von kontrollier- ten Verbrennungen bereits ausgewertet werden und demzufolge eine entsprechende Sensorik vorhanden ist, kann auf einen weiteren hardwaremäßigen Auf- wand zur Bestimmung der unkontrollierten Verbrennungen verzichtet werden, was zu einer kostengünstigen Realisierung des Verfahrens führt. Es ist lediglich eine zusätzliche Auswertung der an sich schon vorhandenen Signale notwendig. Insbesondere wird zur Erfassung der unkontrollierten Verbrennungen ein Messfenster in Abhängigkeit von der Lage der Körperschallschwingungen im Vergleich zu einem ersten Kurbelwellenwinkelbereich aktiviert, welcher insbesondere verschieden zu einem zweiten Kurbelwellenwinkelbereich ist, in welchem Klopfereignisse einer kontrollierten Verbrennung erwartet werden. Da bekannt ist, dass unkontrollierte Verbrennungen vor und während einer kontrollierten Verbrennung auftreten, welche durch den von einer Zündkerze erzeugten Zündfunken ausgelöst wird, muss bei der Auswertung neben dem vom Zündwinkel der Kurbelwelle abhängigen Messfenster für kontrollierte Verbrennungen, lediglich ein zweites Messfenster erzeugt werden, in welchem stark klopfende Verbrennungen verur- sacht durch unkontrollierte Verbrennungen erwartet werden. In diesem zweiten
Messfenster wird das vorhandene Klopfsensorsignal mit den vorhandenen Auswertealgorithmen ausgewertet.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltung mit einer oder mehrerer weiterer zu- sätzlicher Schwellen, insbesondere unterhalb des Schwellwertes, bei deren
Überschreitung andere, insbesondere weichere, Maßnahmen eingeleitet werden können. Somit kann flexibler auf verschiedene Stärken / Häufigkeiten der Vor- entflammungsdetektion angemessen reagiert werden. Schon unkontrollierte Verbrennungen unterhalb des Schwellwertes können Motorschädigungen hervor- rufen, welche durch erste, weichere Maßnahmen bei Überschreiten einer niedrigeren Schwelle vermieden oder reduziert werden können. Trotzdem kommt es durch den Einsatz weicherer bzw. in der Stärke oder Dauer reduzierter Maßnahmen zu keinen oder nur geringeren Komfort-Einbußen für den Fahrer. Eine Weiterbildung der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Behandlung von unkontrollierten Verbrennungen in einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges, wobei die unkontrollierten Verbrennungen unabhängig von der Zündung durch eine Zündkerze auftreten und in/oder am Verbrennungsmotor erfasst werden. Um eine schnelle und trotzdem zuverlässige Verminderung von unkontrol- Herten Verbrennungen in einem Verbrennungsmotor zu ermöglichen und den
Verbrennungsmotor vor Schäden zu schützen, sind Mittel vorhanden, welche in einem Uberwachungszeitraum die Anzahl der erfassten unkontrollierten
Verbrennungen bestimmen und mit einem Schwellwert vergleichen, wobei bei Überschreitung des Schwellwertes die Temperatur in einem Brennraum des Verbrennungsmotors abgesenkt wird. Das hat den Vorteil, dass die Verbrennungen der Vergangenheit des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit von der eingestellten Zeit für die Dekrementierung des Zählers mit berücksichtigt werden, indem sporadische Verbrennungsereignisse ausgewertet werden. Je nachdem, ob die unkontrollierten Verbrennungen einmalig, mehrmals in dem Überwachungszeitraum oder sogar in Serie auftreten, wird durch geeignete Maßnahmen zur Verminderung der unkontrollierten Verbrennungen reagiert und somit dem tatsächlichen Motorverhalten Rechnung getragen. Die Zählung der Anzahl der unkontrollierten Verbrennungen erlaubt eine besonders einfache softwaremäßige oder auch hardwaremäßige Realisierung des Verfahrens.
Vorteilhafterweise ist ein Klopfsensor mit einem Steuergerät verbunden, welches einen Zähler zur Summierung der von dem Klopfsensor abgegebenen Signale aufweist, wobei in einem Speicher des Steuergerätes ein Schwellwert abgespeichert ist und bei Überschreitung des Schwellwertes durch die vom Zähler detek- tierte Summe, das Steuergerät einen Aktuator zur Änderung der Temperatur im Verbrennungsmotor ansteuert. Durch diese einfache hardwaremäßige Maßnahme werden unter genauer Berücksichtungen der in der Vergangenheit aufgetretenen unkontrollierten Verbrennungen zukünftige unkontrollierte Verbrennungen unterbunden, wodurch der Verbrennungsmotor vor Schäden bewahrt wird.
In einer Ausgestaltung weist jeder Zylinder des Verbrennungsmotors als Aktuato- ren ein Einlassventil zum Einlass von Luft und ein Auslassventil zur Ausgabe eines Verbrennungsabgases auf, deren Öffnungszeiten von jeweils einer Nockenwelle eingestellt wird, wobei das Steuergerät die Nockenwellen so ansteuert, dass sich die Öffnungszeiten des Einlass- und des Auslassventils geringfügig überschneiden. Durch die Überschneidungsreduzierung der Ventilöffnungszeiten wird das sich im Brennraum des Verbrennungsmotors befindliche innere Restgas reduziert, wodurch das Temperaturniveau im Brennraum abgesenkt wird. Die weniger überschneidende Ansteuerung des Ein- und des Auslassventils eines Zylinders stellt dabei eine einfache softwaremäßige Maßnahme dar. Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsbeispiele zu. Eines davon soll anhand der in der Figur dargestellten Zeichnungen näher erläutert werden.
Es zeigt:
Figur 1 : Vorrichtung zur Erfassung und Reduzierung unkontrollierter
Verbrennungen in einem Benzinmotor
Figur 2: Prinzipdarstellung eines Zylinders des Benzinmotors nach Figur
1
Figur 3: schematisches Ablaufdiagramm zur Erfassung und Reduzierung einer unkontrollierten Verbrennung
Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Figur 1 zeigt eine Vorrichtung zur Erfassung und Auswertung einer Verbrennung in einem Benzinmotor 1 . Der Benzinmotor 1 weist in diesem Beispiel vier Zylinder 2, 3, 4, 5 auf, deren nicht weiter dargestellte Kolben, welche sich in den Zylindern 2, 3, 4, 5 bewegen, über jeweils eine Pleuelstange 6, 7, 8, 9 mit der Kurbelwelle
10 verbunden sind und diese auf Grund der durch die Verbrennungen verursachten Druckänderungen antreiben. Die Zylinder 2, 3, 4, 5 sind mit einem Saugrohr
1 1 verbunden, welches durch eine Drosselklappe 12 gegenüber einem Luftansaugrohr 13 abgeschlossen ist. In jeden Zylinder 2, 3, 4, 5 ragt eine Düse 14 zur Einspritzung von Kraftstoff, wodurch sich ein Kraftstoff-Luft-Gemisch bildet. Darüber hinaus weist jeder Zylinder 2, 3, 4, 5 eine Einlassventil 15 für die Frischluft und ein Auslassventil 16 für die Abgase, die während des Verbrennungsprozesses entstehen, auf, wie es in Figur 2 beispielhaft nur für den Zylinder 2 dargestellt ist. Das Einlassventil 15 wird von einer Einlassnockenwelle und das Auslassventil von einer Auslassnockenwelle betrieben, welche der Übersichtlichkeit halber nicht weiter dargestellt sind.
An dem Benzinmotor 1 ist ein Klopfsensor 17 angeordnet, welcher die Körperschallschwingungen des Benzinmotors 1 detektiert, welche durch die Verbrennungen im Benzinmotor 1 verursacht werden. Die Signale des Klopfsensors 17 werden an ein Steuergerät 18 weitergeleitet, welches auch mit einem der Kur- beiwelle 10 gegenüberliegenden Kurbelwellensensor 19 verbunden ist, wobei das Steuergerät 18 die Verbrennungen dem Signal des Kurbelwellensensors 19 zuordnet, welches einen Kurbelwellenwinkel präsentiert. Weiterhin ist das Steuergerät 18 mit der Drosselklappe 12 und mit der Kraftstoffeinspritzdüse 14 sowie dem Einlassventil 15 und dem Auslassventil 16 jedes Zylinders 2, 3, 4, 5 verbunden. Zur Erkennung des ersten Zylinders 2 ist ein Phasensensor 23 an dem ersten Zylinder 2 angebracht, welcher ebenfalls mit dem Steuergerät 18 verbunden ist.
Beim Öffnen der Drosselklappe 12 strömt die Frischluft in das Saugrohr 1 1 , welche über das Einlassventil 15 in den Zylinder 2, 3, 4, 5 eingeführt wird. Weiterhin wird in die Zylinder 2, 3, 4, 5, von der jeweiligen Kraftstoffeinspritzdüse 14 Kraftstoff injiziert. Durch einen von einer nicht weiter dargestellten Zündkerze ausgelösten Funken wird in den Zylindern 2, 3, 4, 5 nacheinander eine Verbrennung initiiert, welche einen Druckanstieg im Zylinder 2, 3, 4, 5 auslöst, der über den Kolben und die Pleuelstange 6, 7, 8, 9 auf die Kurbelwelle 10 übertragen wird und diese in Bewegung setzt.
Neben den kontrollierten Verbrennungen, welche in der Regel klopffrei sind und nur vereinzelt auch klopfend sein können, treten Verbrennungen auf, die einen sehr frühen Brennbeginn bzw. Verbrennungslagen aufweisen. Diese Verbrennungen werden als unkontrollierte Verbrennungen oder Vorentflammungen bezeichnet. Eine solche Vorentflammung weist im Vergleich zu Normalverbrennungen wesentlich höhere Drücke und Temperaturen auf, die schädigend für den Benzinmotor 1 sind.
Zur Erkennung und zur Verminderung der Vorentflammungen werden prinzipiell drei Schritte durchgeführt, wie es aus Figur 3 hervorgeht. Im Schritt 100 erzeugt der Klopfsensor 17 infolge der durch die Verbrennungen verursachten Körperschallschwingungen kontinuierlich oder in vorgegebenen zeitlichen Abständen ein Ausgangssignal, welches von dem Steuergerät 18 in Relation zu dem von dem Kurbelwellensensor 19 ausgegebenen Kurbelwellenwinkel gesetzt wird. Dadurch können die klopfenden Verbrennungen jeweils dem Zylinder 2, 3, 4, 5 zugeordnet werden, in welchem die Verbrennungen ablaufen. Im Block 200 wird das Ausgangssignal des Klopfsensors 17 in einem vorgegebenen Messbereich durch das Steuergerät 18 auf das Auftreten von starken Klopfereignissen, hervorgerufen durch Vorentflammungen, untersucht. Zu diesem Zweck weist der Auswertealgorithmus des Steuergerätes 18 neben einem ersten Messfenster 201 zur Detektion von klopfenden Ereignissen der normalen, durch die Zündkerze verursachten Verbrennungen ein zweites Messfenster 202 auf, welches zeitlich vor dem ersten Messfenster 201 angeordnet ist. Das zweite Messfenster 202 zur Erfassung der starken Klopfereignisse verursacht durch Vorentflammungen startet, wie in Figur 3 dargestellt, mit dem Erreichen des obe- ren Totpunktes OT durch den Kolben des jeweiligen Zylinders 2, 3, 4, 5 und endet vor dem Öffnen des ersten Messfensters 201 . Alternativ kann das zweite Messfenster 202 aber auch schon vor dem Erreichen des oberen Totpunktes geöffnet werden, wodurch die Sicherheit bei der Erfassung von stark klopfenden Verbrennungen durch Vorentflammungen im fortgeschrittenem Stadium verbes- sert wird.
Die Erkennung der starken Klopfereignisse erfolgt im Steuergerät 18 mit den für die Klopferkennung bekannten Algorithmen. Im vorliegenden Fall wird das er- fasste Sensorsignal in ein oder mehrere Frequenzbereiche gefiltert, anschlie- ßend gleichgerichtet und integriert. Der so erhaltene Integrationswert wird mit einem Referenzwert ins Verhältnis gesetzt, welcher den vorentflammungsfreien Betrieb wiedergibt. Übersteigt dieses Verhältnis einen Schwellwert, wird auf eine Vorentflammungen erkannt. Wurde eine Vorentflammungen erkannt, wird in den Schritt 300 übergegangen, in welchen Maßnahmen zur Reduzierung eingeleitet werden. Dabei lassen sich unterschiedliche Maßnahmen unterscheiden, welche entweder einzeln oder in Kombination durchgeführt werden. Dazu gehören die Abschaltung des Kraftstoffeinspritzventils 14 an dem betroffenen Zylinder 2, 3, 4, 5 oder die Kühlung des Brennraums 22 des Zylinders 2, 3, 4, 5 durch eine Kraftstoffanreicherung oder eine Frischluftanreicherung bzw. eine Füllstandsabsenkung.
Besonders komfortabel lassen sich Vorentflammungen durch die Reduzierung des inneren Restgases im Zylinder 2, 3, 4, 5 vermindern. Dabei werden das Ein- lassventil 15 und das Auslassventil 16 durch ihre Nockenwellen so angetrieben, dass sich die Öffnungszeiten beider Ventile 15, 16 im Ladungswechsel - OT nicht überschneiden. Die Nockenwellen werden dabei genauso, wie die Drosselklappe 12 zur Verminderung der Luftzufuhr und das Kraftstoffeinspritzventil 14 von dem Steuergerät 18 angesteuert. Die reduzierte Ventilüberschneidung führt dazu, dass bei geschlossenem Auslassventil 16 das Einlassventil 15 erst geöffnet wird, wodurch das sich im Zylinder 2, 3, 4, 5 befindliche Restgas reduziert und das Temperaturniveau im Zylinder 2, 3, 4, 5 sinkt. Ist nur die Einlassnockenwelle variabel verstellbar, dann wird die Steuerzeit für die Einlassventile 15 nach spät verstellt. Das heißt, die Einlassventile 15 öffnen erst, wenn der Kolben des jeweiligen Zylinders 2, 3, 4, 5 den oberen Totpunkt OT, welcher den höchsten Punkt darstellt, den der Kolben im Zylinder 2, 3, 4, 5 erreichen kann, bereits überschritten hat und sich schon wieder in einer Abwärtsbewegung befindet. Hat der Benzinmotor 1 nur verstellbare Auslassventilsteuerzeiten, dann wird die Steuerzeit der Auslassventile 16 nach früh verstellt, also bevor der Kolben des Zylinder 2, 3, 4, 5 in seiner Aufwärtsbewegung den oberen Totpunkt OT erreicht. Sind sowohl die Einlassventile 15 als auch die Auslassventile 16 variabel, dann wird die Steuerzeit der Auslassventile 16 nach früh und die der Einlassventile 15 nach spät verstellt. Man kann dabei sowohl die Maximalanschläge der Ventile 15, 16 berücksichtigen oder nur ein bestimmtes Delta in der Öffnung der Ventile 15, 16.
Für das Einleiten der Maßnahmen zur Verminderung der Vorentflammungen bestehen verschiedene Möglichkeiten. So kann in einer einfachen Variante nach jeder Erfassung einer Vorentflammung eine oder mehrere der bereits diskutierten Möglichkeiten durch das Steuergerät 18 ausgelöst werden, in dem es entweder die Kraftstoffeinspritzdüse 14 aktiviert und/oder die Drosselklappe 12 verstellt und/oder die Steuerzeiten des Einlassventils 15 und des Auslassventils 16 variiert.
Besonders vorteilhaft ist eine Funktionalität mit einem einstellbaren„Gedächtnis" G aus der Vergangenheit, dabei werden von einem im Steuergerät 18 vorhandenen Zähler 20 die sporadisch auftretenden Vorentflammungen gezählt, wie es in Figur 3 im Bild 301 dargestellt ist, wo die einzelnen Vorentflammungen über der Zeit t dargestellt sind. Die Anzahl der gezählten Vorentflammungen wird mit einem Schwellwert SW, der im Speicher 21 des Steuergerätes 18 abgespeichert ist, verglichen. Überschreitet die Anzahl der gezählten Vorentflammungen den
Schwellwert SW, wird durch das Steuergerät 18 eine oder mehrere der oben er- läuterten Maßnahmen M ausgelöst, wodurch weitere Vorentflammungen unterbunden werden sollen (siehe Bild 302). Der Zähler 20 wird nach einer einstellbaren Zeit dekrementiert, wenn länger zurückliegende Vorentflammungen nicht mehr berücksichtigt werden sollen.
Der Schwellwert SW kann dabei drehzahl- und/oder lastabhängig variiert werden, so dass die Auswertung sich immer an den gegebenen Verhältnissen in dem jeweiligen Zylindern 2, 3, 4, 5 orientiert.
Eine solche Funktionalität lässt sich sowohl für Kurzzeitmaßnahmen als auch für Langzeitmaßnahmen zur Unterbindung bzw. Abschwächung von Vorentflammungen einsetzen. Dabei wird auf einzeln erkannte Vorentflammungen zunächst mit kurzfristigen Maßnahmen reagiert, wie der Anreicherung oder Abmagerung des Kraftstoff-Luft-Gemisches, der Füllungsreduzierung oder der Restgasmini- mierung. Diese Kurzzeitmaßnahmen wirken nur in einem Fahrzyklus des Kraftfahrzeuges für eine bestimmte Zeit oder eine vorgegebene Anzahl von Arbeitspielen und bewegen sich in einem Zeitrahmen von Sekunden. Als Fahrzyklus wird dabei der Zeitraum betrachtet von Einschalten der Zündung des Kraftfahrzeuges bis zum Ausschalten des Benzinmotors 1.
Zeigt sich aber, dass der Benzinmotor 1 nach den Kurzzeitmaßnahmen nach kurzer Zeit wieder Vorentflammungen erzeugt, wäre dies auf die Dauer für den Benzinmotor 1 schädlich. In diesem Fall werden Langzeitmaßnahmen aktiviert, die über mehrere Fahrzyklen aktiv sind und daher mehrere Stunden umfassen können. Die in jedem Fahrzyklus gezählte Anzahl von Vorentflammungen wird dabei nach dem Ausschalten des Benzinmotors im Speicher 21 des Steuergerätes 18 abgespeichert, wobei die Zählung der Vorentflammungen nach dem Einschalten der Zündung auf der Basis der gespeicherten Anzahl von Superklopfern weitergeführt wird. Auch bei den Langzeitmaßnahmen wird bei Erreichen eines Schwellwertes SW der Anzahl der gezählten Vorentflammungen eine Maßnahme M zur Reduzierung weiterer Vorentflammungen eingeleitet. Besonders geeignet sind dabei die Füllungsreduzierung wie auch die Restgasminimierung. Auch die Anreicherung bzw. Abmagerung des Kraftstoff- Luft-Gemisches ist vorstellbar. In einer weiteren Ausgestaltung ist eine mehrstufige, insbesondere zweistufige
Vorentflammungserkennung mit entsprechenden Gegenmaßnahmen vorgesehen bzw. eine dazu geeignete Detektions- und Behandlungsvorrichtung. Dies kann zu einer effektiveren Verhinderung von Motorschädigungen führen, da schon die unkontrollierten Verbrennungen, bzw. Vorentflammungen, die auftreten, bevor die bisher beschriebene Schwelle erreicht ist und Gegenmaßnahmen eingeleitet werden, Motorschädigungen verursachen.
Bei solch einer mehrstufigen Vorentflammungserkennung werden bei Überschreiten einer ersten Schwelle erste, vorzugsweise weiche Gegenmaßnahmen, eingeleitet. Dabei bezeichnen weichere Gegenmaßnahmen solche, durch welche die Temperatur in dem Brennraum (22) des Verbrennungsmotors (1 ) weniger stark abgesenkt wird als bei der Überschreitung des Schwellwertes. Bei Überschreitung jeder weiteren Schwelle werden die Gegenmaßnahmen verstärkt bis zu einem Überschreiten einer maximalen Schwelle, was zu einer Einleitung der maximalen Gegenmaßnahmen (maximale Temperaturabsenkung) führt. In einer besonderen Ausführung wird von einer zweistufigen Vorentflammungserkennung ausgegangen. Verbrennungen, die nur die erste Vorentflammungsschwelle überschreiten, führen zu einem Vorentflammungsverdacht. Basierend auf diesem Verdacht werden dann bereits erste Maßnahmen eingeleitet, um in der Folge echte bzw. weitere Vorentflammungen zu verhindern, welche eventuell wieder motorschädigend sein könnten. Falls dann doch weitere bzw. echte Vorentflammungen auftreten, werden diese durch Überschreiten der zweiten Schwelle de- tektiert und lösen weitere Maßnahmen aus, z.B. wie zuvor für das Überschreiten der nur einen Schwelle in den übrigen Ausführungsbeispielen beschrieben.
Damit gibt es also drei Klassen hinsichtlich der Vorentflammungserkennung: (1 ) keine Vorentflammung detektiert, (2) Vorentflammungsverdacht, (3) Vorentflammung detektiert. Wie bereits erwähnt kann auch eine mehrstufige Erkennung mit weiteren abgestuften Gegenmaßnahmen vorgesehen sein, zum Beispiel: (a) keine Vorentflammung detektiert, (b) geringer Verdacht, (c) starker Verdacht, (d) Vorentflammung detektiert, (e) sehr starke Vorentflammung detektiert. In diesem letzten Beispiel ist auch eine zusätzliche Schwelle (e, sehr starke Vorentflammung detektiert) oberhalb des hauptsächlichen Schwellwerts vorgesehen.
Wie beschrieben werden bei der unteren Schwelle (bzw. bei den unteren Schwellen bei einer mehr als zweistufigen Funktionalität) eher weiche Gegenmaßnahmen aktiviert, die auch optimalerweise vom Fahrzeuglenker nicht spürbar sind. Solche Gegenmaßnahmen können beispielsweise durch eine (vorzugsweise) leichte Anreicherung und/oder eine (vorzugsweise leichte) Restgasreduzierung und/oder eine Veränderung des Einspritztimings realisiert werden, insbesondere können hier auch nur einzelne Maßnahmen ergriffen werden. Diese Maßnahmen können bereits eingeleitet werden, wenn eine einzelne Verbrennung die erste (bzw. die entsprechende untere) Schwelle überschreitet. Besonders vorteilhaft ist aber auch hier wieder die oben beschrieben„Gedächtnisfunktionalität", also dass die Detektion z.B. über einen nach bestimmter Zeit wieder dekrementierten Zähler erfolgt.
Wird die zweite Schwelle (bzw. die höchste Schwelle) überschritten, so wird diese als wirklich detektierte Vorentflammung klassifiziert. Zur Verhinderung weiterer Vorentflammungen können jetzt härtere Gegenmaßnahmen, die Kombination mehrerer Gegenmaßnahmen oder auch die Kombination aller verfügbaren Gegenmaßnahmen aktiviert werden. Dies kann z.B. durch eine im Vergleich zur ersten Schwelle (bzw. zu den unteren Schwellen) stärkere Anreicherung oder durch eine stärkere Restgasminimierung erreicht werden. Mögliche Gegenmaßnahmen könnten dann auch eine Füllungsabsenkung oder eine Einspritzventilabschaltung sein. Wie beschrieben können auch mehrere dieser Gegenmaßnahmen kombiniert werden.