Verfahren und Vorrichtung zur Erkennung von unkontrollierten Verbrennungen in einem Verbrennungsmotor

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung von unkontrollierten Verbrennungen in einem Verbrennungsmotor, welche insbesondere unabhängig von der Zündung durch eine Zündkerze auftreten, wobei die durch die Verbrennungen ausgelösten Druckschwingungen im Brennraum detektiert und ausgewertet 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. Während sich die Flammenfront im Brennraum ausbreitet, kommt es im Endgasbereich durch hohe Drücke und Temperaturen zu Selbstzündungen. Die dann schlagartig ablaufende Verbrennung 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, wodurch Beschädigungen des Benzinmotors durch das Klopfen vermieden werden.

Neben den beschriebenen klopfenden Verbrennungen treten aber auch Selbstentflammungen auf, die durch heiße Stellen im Brennraum, Öltröpfchen oder heißen 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. Die Selbstentflammungen zeichnen sich durch Verbrennungsdrücke mit hohen Druckamplituden aus, welche sehr schnell zu Motorschäden führen können.

Gemäß der EP 1 715 179 A2 werden verfrühte Verbrennungen mit Hilfe des Klopfsensors bestimmt. Da solche Selbstentflammungen aber nur bedingt eine klopfende Verbrennung infolge von hochfrequenten Druckanteilen nach sich ziehen, lassen sich Selbstentflammungen mit überwiegenden niederfrequenten Druckverläufen, die keinen Einfluss auf den Körperschall der Brennraumwände nehmen, nicht mit Klopfsensoren erkennen.

Offenbarung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erkennung von unkontrollierten Verbrennungen in einem Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist den Vorteil auf, dass nicht durch einen Zündfunken einer Zündkerze ausgelöste Selbstentflammungen, welche niederfrequente Druckverläufe mit optionalen hochfrequenten Druckanteilen nach sich ziehen, jederzeit sicher detektiert werden können. Dadurch, dass zur Feststellung einer unkontrollierten Verbrennung vor der Zündung durch die Zündkerze und/oder vor dem normalen Brennbeginn für einen gegebenen Zündzeitpunkt die durch die Druckschwingungen beein- flusste Drehzahl einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors ausgewertet wird, ist kein Klopfsensor zur Auswertung notwendig. Die Erkennung der unkontrollierten Verbrennungen beruht lediglich auf der Auswertung des Drehzahlverlaufes der Kurbelwelle. Da die Drehzahl der Kurbelwelle zur Steuerung und/oder Regelung des Motors gemessen wird, entfällt ein zusätzlicher hardwaremäßiger Aufwand zur Messung der Drehzahl.

Vorteilhafterweise wird die Drehzahl der Kurbelwelle bestimmt und in Abhängigkeit von der gemessenen Drehzahl ein die Verbrennung charakterisierender Parameter ermittelt, welcher mit einem entsprechenden Parameter verglichen wird, der bei einer kontrollierten Verbrennung infolge der Zündung einer Zündkerze bestimmt wurde und bei Abweichung des Parameters vom Referenzparameter auf das Vorliegen einer unkontrollierten Verbrennung geschlossen wird. Eine solche Vorgehensweise ist besonders vorteilhaft bei Motorkonzepten einsetzbar, welche durch eine hohe Leistungsdichte, insbesondere durch Downsizeing- Konzepte, charakterisiert sind. Da Selbstentflammungen aufgrund einer Änderung 5 des Verbrennungsdruckanteils eine Verschiebung des Druckverlaufes in dem

Brennraum verursachen, kann dies einfach über die Auswertung des Drehzahlsignals der Kurbelwelle erfasst werden.

In einer Ausgestaltung ist der von der Drehzahl abhängige Parameter ein Gas- 10 moment, welches durch die Druckschwingungen im Brennraum infolge der

Verbrennung auf die Kurbelwelle wirkt. Da die durch die Druckverläufe auf die Pleuelstange eines Kolbens des Benzinmotors wirkende Kraft die Geschwindigkeit der Kurbelwelle verändert, führt dieses im Zustand der Verdichtung eines Zylinders des Benzinmotors zu einer Verlangsamung der Geschwindigkeit der Kurl s beiwelle, während bei einer Verbrennung die Geschwindigkeit der Kurbelwelle erhöht wird. Solche Geschwindigkeitsänderungen, mit verursacht durch das Gasmoment, lassen sich gut aus der infolge der Geschwindigkeitsänderung veränderten Drehzahl darstellen.

20 In einer Weiterbildung ist der von der Drehzahl abhängige Parameter eine veränderte Verbrennungslage.

Vorteilhafterweise werden das bestimmte Gasmoment und/ oder die bestimmte Verbrennungslage mit Referenzwerten verglichen, welche bei der kontrollierten

25 Verbrennung infolge der Zündung durch die Zündkerze ermittelt wurden, wobei bei dem Vergleich aktuelle Stellgrößen und der Betriebspunkt des Verbrennungsmotors berücksichtigt werden. Dadurch, dass die Referenzwerte jeweils im Zusammenhang mit dem aktuellen Zustand des Verbrennungsmotors ausgewählt werden, ist der Vergleich mit den aus der Drehzahl abgeleiteten Parame-

30 tern besonders zuverlässig, da die zum Zeitpunkt der Bestimmung der Parameter aktuell vorhandenen Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors mit berücksichtigt werden.

In einer Variante werden bei dem Vergleich der durch die Verbrennung hervorge- 35 rufenen Verbrennungslage mit der Verbrennungslage, welche sich aus der kon- trollierten Verbrennung durch Zündung durch die Zündkerze ergibt, als aktuelle Stellgrößen der Zündwinkel, die Last und die Drehzahl berücksichtigt.

In einer Ausgestaltung wird die sich aus der Verbrennung ergebende Verbrennungslage mit Hilfe mindestens eines die aktuellen Stellgrößen umfassenden Kennfeldes und/oder einem physikalisch basierten mathematischen Modell, welches die aktuellen Stellgrößen beinhaltet, bestimmt. Kennfelder lassen sich einfach vor Beginn einer Messung für alle denkbaren Betriebszustände des

Verbrennungsmotors ermitteln, weshalb bei dem Vergleich eine schnelle Ermittlung der aktuell sich ergebenden Verbrennungslage gegeben ist.

In einer Weiterbildung werden die Gasmomente, welche durch die Druckschwingungen im Brennraum infolge der Verbrennung auf die Kurbelwelle auftreten, als Wechselmomente ermittelt. Diese Wechselmomente lassen sich einfach aus dem Verlauf der Drehzahl ermitteln, da sie durch die Verzögerung oder Beschleunigung der Kurbelwelle verursacht werden.

Vorteilhafterweise werden die Wechselmomente hinsichtlich der oszillierenden Massen und/oder den Verläufen der Wechselmomente und/oder den Geberad- fehlern korrigiert. Die oszillierenden Massen werden hauptsächlich durch die Kolben der Zylinder des Verbrennungsmotors gebildet, welche den Verlauf der Wechselmomente für diese Anwendung nachteilig beeinflussen, weshalb deren Anteile rechnerisch aus den Wechselmomenten eliminiert werden. Dadurch wird ein genaueres Ergebnis bei der Bestimmung von unkontrollierten Verbrennungen erhalten.

In eine Variante wird der Verlauf der Wechselmomente jeweils für jeden Zylinder in einem geeigneten Bereich zu jeweils einem Intergralendwert in einem geeigneten Kurbelwellenfenster aufsummiert, aus denen jeweils für jeden Zylinder des Verbrennungsmotors auf ein zylinderindividuelles Gasmoment geschlossen wird.

Ausgehend von einem solchen zylinderindividuellen Gasmoment lässt sich bestimmen, in welchem Zylinder des Verbrennungsmotors eine unkontrollierte Verbrennung auftritt, da diese Integration für jeden Zylinder separat vorgenommen wird. Alternativ wird der Verlauf eines Wechselmomentes in mindestens zwei Bereiche unterteilt, wobei für jeden Bereich ein Integralendwert berechnet wird und ein Vergleich jedes Intergralendwertes mit einem Referenzintegralendwert oder ein Vergleich der beiden Integralendwerte untereinander erfolgt, wobei bei Auftreten einer Abweichung auf eine unkontrollierte Verbrennung geschlossen wird. Die beiden Bereiche sind vorteilhafterweise so gelegt, dass der aus dem ersten Bereich bestimmte Integralwert sensitiv ist für Verbrennungen, die von dem Zündfunken der Zündkerze ausgelöst werden, während der zweite Bereich einen Integralwert kennzeichnet, der Verbrennungen mit einer unnormal frühen Verbren- nungslage repräsentiert. Die Bereiche hängen dabei mindestens vom Betriebspunkt des Motors und dem Zündwinkel ab.

In einer Ausgestaltung werden zur Entscheidung über das Vorliegen einer unkontrollierten Verbrennung Referenzwerte herangezogen, die aus den Werten vorhergehender Verbrennungslagen ermittelt werden. Dadurch werden die durch die Referenzwerte repräsentierten motorspezifischen Aussagen über die tatsächlichen Verbrennungslagen während einer kontrollierten Verbrennung, welche durch einen Zündfunken der Zündkerze ausgelöst wurden, konkretisiert. Diese Referenzwerte tragen beim Vergleich mit der zu untersuchenden drehzahlabhängigen Verbrennungslage zur Erhöhung der Genauigkeit bei der Ermittlung einer unkontrolliert ausgelösten Verbrennung bei.

In einer Weiterbildung erfolgt die Auswertung der Drehzahl auf der Basis von Zahnzeiten des an der Kurbelwelle angebrachten Geberrades. Somit werden geläufige Verfahren zur Bestimmung der Drehzahl bei dem Verfahren zur Ermittlung einer unkontrollierten Verbrennung in einem Benzinmotor eingesetzt. Alternativ können auch Segmente verwendet werden, die mehrere Zahnzeiten beinhalten. Eine weitere Weiterbildung der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erkennung von unkontrollierten Verbrennungen in einem Verbrennungsmotor, welche unabhängig von der Zündung durch eine Zündkerze auftreten, wobei die durch die Verbrennungen ausgelösten Druckschwingungen im Brennraum ausgewertet werden. Um nicht durch einen Zündfunken einer Zündkerze ausgelöste Selbst- entflammungen jederzeit sicher detektieren zu können, sind Mittel vorhanden, welche zur Feststellung einer unkontrollierten Verbrennung vor der Zündung durch die Zündkerze die durch die Druckschwingungen beeinflusste Drehzahl einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors auswerten. Somit ist kein Klopfsensor zur Auswertung des erfindungsgemäßen Verfahrens notwendig, da die Erkennung auf der Auswertung der Drehzahl der Kurbelwelle beruht, welche als solche schon für andere Zwecke der Motorsteuerung und Einspritzung gemessen wird. Durch die verwendeten Mittel werden Verbrennungen detektiert, die niederfrequente Druckverläufe aufweisen und optional auch hochfrequente Druckanteile enthalten können.

Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.

Es zeigt:

Figur 1 : Vorrichtung zur Bestimmung einer unkontrollierten Verbrennung in einem Benzinmotor

Figur 2: Vergleich einer unkontrollierten Verbrennung mit einer Normalverbrennung

Figur 3: Prinzipdarstellung eines Verfahrens zur Ermittlung einer unkontrollierten Verbrennung

Figur 4: ein Ausführungsbeispiel für einen Algorithmus zur Ermittlung einer unkontrollierten Verbrennung

Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

Figur 1 zeigt eine Vorrichtung zur Messung 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 dem 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 das Luftansaugrohr 13 ragt eine Düse 14 zur Ein- spritzung von Kraftstoff, wodurch sich ein Kraftstoff-Luft-Gemisch bildet. Alternativ kann der Benzinmotor 1 , insbesondere ein Downsizening-Motor, mit einer Direkteinspritzung ausgestattet sein, welche den Kraftstoff mittels eines Injektors für jeden Zylinder separat einspritzt. Darüber hinaus besteht ein wesentliches Merkmal in der Aufladung, die in der Regel aus einem nicht weiter dargestellten

Turbolader besteht, aber auch zweistufig sein kann.

An der Kurbelwelle 10 ist ein Drehzahlsensor 15 angeordnet, welcher die Drehzahl der Kurbelwelle 10 detektiert und an ein Steuergerät 16 weiterleitet, das an- hand der ermittelten Drehzahl die Verbrennungen klassifiziert. Weiterhin ist das

Steuergerät 16 mit der Drosselklappe 12 und der Kraftstoffeinspritzdüse 14 verbunden.

Beim Öffnen der Drosselklappe 12 strömt das Kraftstoff-Luft-Gemisch in das Saugrohr 1 1 und somit in die Zylinder 2, 3, 4, 5. Durch einen von einer nicht weiter dargestellten Zündkerze ausgelösten Funken wird in den Zylindern 2, 3, 4, 5 nacheinander eine Verbrennung ausgelöst, welche einen Druckanstieg im Zylinder auslöst, der über den Kolben und die Pleuelstange 6, 7, 8, 9 auf die Kurbelwelle 10 übertragen wird und diese in Bewegung setzt.

Der Druck über dem sich ändernde Kurbelwellenwinkel, welcher bei einer solchen normalen, kontrollierten Verbrennung entsteht, ist in Fig. 2, Kurve A dargestellt.

Neben den kontrollierten Verbrennungen treten Verbrennungen auf, die einen sehr frühen Brennbeginn aufweisen bzw. Verbrennungslagen aufweisen, die noch vor dem Zündzeitpunkt der Zündkerze liegen. Diese Verbrennungen werden als Superklopfer bezeichnet. Ein solcher Superklopfer ist im Kurve B der Figur 2 dargestellt, woraus ersichtlich ist, dass Superklopfer im Vergleich zu Normalverbrennungen wesentlich höhere Drücke erzeugen, die schädigend für den Benzinmotor 1 sind.

Das Steuergerät 16 weist zur Klassifizierung der Verbrennungen in Normalverbrennungen und Superklopfer einen Algorithmus 17 auf, wie es in Figur 3 dargestellt ist. Als Eingangsgröße dient dem Algorithmus die Drehzahl n der Kur- belwelle 10. Je nachdem, welcher Druck auf den Kolben und die Pleuelstange 6,

7, 8, 9 des Zylinders 2, 3, 4, 5 wirkt, ändert sich die Kraft, die die Kurbelwelle 10 antreibt. Die Kurbelwelle 10 wird dabei beschleunigt oder die Bewegung der Kurbelwelle 10 verlangsamt sich. Befindet sich der Zylinder 2 3, 4, 5 in einer Verdichtungsphase, d.h. der Kolben bewegt sich gegen den oberen Totpunkt, verlangsamt sich die Geschwindigkeit der Kurbelwelle 10. Befindet sich der Zylinder 2, 3, 4, 5 in der Verbrennungsphase, wird der Kolben durch die auftretende explosive Verbrennung von dem oberen Totpunkt weg bewegt, wodurch sich die Geschwindigkeit der Kurbelwelle 10 erhöht. Überlagert wird dies durch Schwingungen auf der Drehzahl n, die durch oszillierende Massen verursacht werden. Um die Bewertung der Drehzahl der Kurbelwelle 10 gezielt auf die aktuelle Betriebs- Situation des Benzinmotors abzustimmen, werden als Betriebsparameter der

Zündwinkel δ und der Betriebspunkt C des Benzinmotors 1 berücksichtigt, um feststellen zu können, ob ein Superklopfer vorliegt oder nicht.

Ein Ausführungsbeispiel für einen Algorithmus zur Bestimmung einer unkontrol- Herten Verbrennung soll anhand von Figur 4 erläutert werden. Zunächst wird die von dem Drehzahlsensor 15 ermittelte Drehzahl n der Kurbelwelle 10 in Abhängigkeit von Kurbelwinkel φ im Block 100 in eine Winkelgeschwindigkeit umgerechnet. Im Block 101 werden die Effekte der oszillierenden Massen, die hauptsächlich durch die Kolben der Zylinder 2, 3, 4, 5 hervorgerufen werden, kompen- siert. Weiterhin werden in diesem Block 101 Fehler in der Winkelgeschwindigkeit, verursacht durch sogenannte Zahnfehler, korrigiert. Zahnfehler entstehen zum Beispiel durch eine ungenaue Montage und Fertigung des Geberrades und können durch Verfahren, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, ermittelt werden. Dadurch erhält man eine korrigierte Winkelgeschwindigkeit (jo _k0 or, die im Block 102 zunächst nach dem Kurbelwellenwinkel φ differenziert und anschließend mit dem Gesamtrotationsträgheitsmoment der Kurbelwelle 10 multipliziert wird. Daraus ergibt sich der Gasdrehmomentverlauf Τ(φ) des gefeuerten Betriebes des Benzinmotors 1. Parallel dazu wird im Block 103 aus einer Messung des Ladedruckes p22 und des Umgebungsdruckes pO sowie dem aktuellen Kurbelwellenwinkel φ ein Schubgasmoment TSchub(cp) bestimmt, wobei auch die Änderungen der Umgebungsparameter wie z.B. der Motor- und/oder der Kühlwassertemperatur mittels Korrekturen berücksichtigt werden. Das Schubgasmoment TSchub(cp) wird von dem Gasdrehmomentenverlauf Τ(φ) subtrahiert, woraus sich der Gasmomentenverlauf der Verbrennung T Diff (φ) ergibt. Dadurch sind die Effekte des geschleppten Betriebes und des Ladedruckes berücksichtigt. Nach einer Filterung im Block 104 erhält man die zylinderindividuellen Merkmale. Im Block 105 wird als erstes Merkmal die Verbrennungslage POS berechnet, während im Block 106 ein mittleres indiziertes Gasmoment Tind bestimmt wird. Dabei wird der gefilterte Differenzgasmomentenverlauf Tdiff (φ) über dem Winkelbereich von φ1 bis φ2 des Kurbelwellenwinkels φ integriert.

Anschließend erfolgt ein Vergleich der Verbrennungslage POS mit einem Referenzwert PosRef, welcher im Block 107 aus einem Kennfeld ermittelt wird, in welchem die Verbrennungslage der Normalverbrennungen, d.h. solcher

Verbrennungen, die durch den Zündfunken einer Zündkerze ausgelöst wurden, in Abhängigkeit der Drehzahl n und der Gesamtkraftstoffmenge q abgelegt sind.

Auch das ermittelte mittlere indizierte Gasmoment Tind wird mit einem Referenzwert TindRef verglichen, der ebenfalls in Abhängigkeit von der Drehzahl n der Kurbelwelle 10 und der Kraftstoffmenge q in einer Kennlinie abgelegt ist (Block 108). Treten entweder bei der Verbrennungslage POS oder dem mittleren induzierten Gasmoment Tind oder bei beiden Unterschiede zum jeweils bestimmten Referenzwert PosRef oder TindRef auf, erkennt das Steuergerät 16 im Ergebnis E des Vergleiches auf einen Superklopfer, also einer Verbrennung mit zu früher Verbrennungslage.